【物理史上的一月】1965 年 1 月：潘若斯（Roger Penrose）開創性地證明了黑洞
1965 年 1 月：潘若斯（Roger Penrose）開創性地證明了黑洞
文｜蕭如珀、楊信男（臺灣大學物理學系）（譯自 APS News，2021 年 1 月）
卓越的物理學家潘若斯（Roger Penrose）因「發現黑洞的形成是廣義相對論的確鑿預測」，和根策爾（Reinhard Genzel）以及蓋茲（Andrea Ghez）因「發現位於銀河系中心的超大質量緻密天體」，同獲 2020 年諾貝爾物理獎。其實，黑洞的初步概念可以追溯到 18 世紀，在愛因斯坦形成他的廣義相對論之前，也在潘若斯的發現之前。
英國天文學家米切爾（John Michell）於 1783 年 11 月寫了一篇奠基性論文，後來發表在皇家學會的雜誌上，是最早猜測類似黑洞物體存在的人。他的目的是要找出測定恆星質量的可用方法，他認為他能測量從恆星出來的光通過稜鏡後光速會減少多少；光速會因為能量減少而有不同的偏折，他相信可由此比較不同恆星曲折的影像來決定它們的表面重力，再計算它們各別的質量。
米切爾了解脫離速度的概念，這關鍵的速度是由恆星的質量和體積而定。他再三思考，假如星體很龐大，它的重力很強大，以至於脫離速度和光速相當的話會怎樣，他下結論說：
「如果和太陽密度相同的星體半徑比是 500 比 1，並假設光被星體所吸引的引力與其質量成正比，如此星體所放射出的光將會被它自己的引力吸引回去。」
這就會讓天文學家看不見那顆恆星。他認為宇宙間可能有許多這樣的星體，但因為它們沒放射出光線，所以無法偵測到。米切爾也推測說，雙星系統的運動可能可以幫助科學家間接偵測到這些「暗星」。
大約 13 年後，法國的博學家拉普拉斯（Pierre Simon LaPlace）也獨立地得到相似的結論。在他 1796 年的專著《宇宙系統論》（Exposition du Systeme du Monde）中，他特別考慮一個密度是太陽 4 倍的恆星的情形，並提出明確的數學方程式說明米切爾「暗星」的假設。
100 多年後，愛因斯坦提出他的廣義相對論，徹底改變了我們對於時空和重力的理解，開啟了一個全新的理論領域。物理學家立即開始探討那些可能性，最有名的是史瓦西（Karl Schwarzschild），他在第一次世界大戰期間正在前線服役。史瓦西一面躲避激烈的砲火，一面計算愛因斯坦場方程的各式解答，最終發現那些方程組都會「發散」的一個點。此研究就是我們現在所知的黑洞（狄基，Robert Dicke， 於 1960 年造了這個詞，而惠勒，John Wheeler，將它普及。）早期的數學描述。
之後數十年，物理學家大都認為黑洞純粹是理論上奇特的東西，而不是真的會存在於宇宙間。即便如此，在 1930 年代，歐本海默（J. Robert Oppenheimer）和史奈德（Hartland Snyder）還是以數學說明一個巨大的恆星可能崩塌而形成黑洞。他們於 1939 年的論文中下結論說，黑洞會「自己阻斷和遠方觀察者的任何聯繫；唯有它的重力場持續存在。」
但是大部分得到的解都假設恆星和黑洞均有理想完美的對稱，而真實的宇宙則凌亂多了。1963 年發現的類星體大大地改變了大家討論的內容，因為物理學家了解到，宇宙中來自最明亮物體的輻射源，都是正在掉落入巨大黑洞中的物質。
再來談到潘若斯，他接受挑戰，思考黑洞可能形成的真實機制。潘若斯選擇在當時相當先進的方法：他不考慮時空複雜的幾何結構，而著重在拓樸空間。
潘若斯在倫敦散步時得到此突破性的深刻想法，他想像所謂的「閉陷表面」：一個封閉的的二維表面，會將所有的光線集中到無窮緻密的中心，就是我們現在所謂的黑洞奇異點。他同時使用以他命名的潘若斯圖表來說明，一旦這個閉陷表面形成的話，根據廣義相對論，朝向奇異點崩塌是不可避免的。這個結論就是 1965 年 1 月發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）的論文，標題為〈重力的崩塌和時空的奇異點〉（Gravitational Collapse and Space-Time Singularities）。
4年後，潘若斯推測出他的「弱宇宙審查」假說，接著於1979年又提出「強宇宙審查」假說，這仍被廣泛認為是理論物理學中最重要，但尚未解決的挑戰之一。假說主旨：黑洞的奇異點不能是「裸露的」；它一定要被禁錮住，永遠躲在事件視界（event horizon，不可能從該區逃離的邊界）裡，然而，會有一個看得見、強烈彎曲（雖然有限）的外部區域。
潘若斯甚至還想出一個複雜的過程（現在稱它為潘若斯過程），在過程中可能擷取一些運行中的黑洞重力能量，具體地說，時空會沿著黑洞轉動被拖曳著，由強大的重力而產生強烈的效果。就在事件視界外有「動圈」（旋轉黑洞外面的區域），在動圈內的每個觀察者也都會被拖著和黑洞一起轉動。
潘若斯想像，去發射一個拋射體進入動圈，讓它裂成兩半，一半掉入黑洞中，而另一半逃逸。這個過程可以產生半個逃逸，從黑洞擷取能量，攜帶的能量比原先的拋射體還多。布蘭德福（Roger Blandford）和日納傑（Roman Znajek）後來使用此概念，建造了他們從轉動的黑洞產生能量實際可行的模型。
黑洞不再只是主要存在於理論中的奇特天體，它繼續吸引著物理學家，在理論和實驗上都有所突破。根策爾和蓋茲在我們銀河系中心發現了一個超大質量的黑洞存在，已被諾貝爾審查委員會所認可，這將有助於黑洞的研究，除理論外，注入活力。。
