北京時間10月6日晚，總獎金為1000萬瑞典克朗(約合760萬人民幣)的2020年諾貝爾物理學獎在眾人矚目中揭曉，黑洞的理論研究和天文觀測成為最大贏家(圖1)。其中羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)因為其“發現黑洞是廣義相對論的必然預言”而獲得一半的獎金；獎金的另外一半則授予萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)和安德里亞·格茲(Andrea Ghez)，因為他們“在銀河系中心發現了一個超大質量的致密天體”，這個致密天體被人們普遍認為是一個大約400萬倍太陽質量，離我們大約26000光年位于人馬座的超大質量黑洞。本文依據諾貝爾物理學獎委員會的官方介紹[1]以及其他資料，著重對彭羅斯的時空奇點研究進行介紹。
圖1 2020年諾貝爾物理學獎獲得者。從左到右依次分別是：羅杰·彭羅斯、萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲
彭羅斯的學術成就極為全面，跨越了數學、物理學和哲學等多個領域。事實上在獲得諾貝爾獎之前，彭羅斯已經在數學領域和物理學領域享有極高的聲譽。現已近90歲高齡的彭羅斯是廣義相對論研究領域最為杰出的科學家之一。彭羅斯與以往其他的諾貝爾物理學獎獲得者有一個顯著不同。以往大多數諾貝爾物理學獎獲得者都是從事物理或者工程技術方面研究出身，但是彭羅斯卻是從非常抽象的代數幾何步入學術研究。彭羅斯的數學天賦極高。在20世紀50年代末，受到劍橋大學廣義相對論研究專家Bondi和Sciama的影響，彭羅斯開始了廣義相對論方面的研究(圖2)。擁有純數學的研究背景使得彭羅斯考察廣義相對論的方式和當時的許多物理學家有所不同，并最終在廣義相對論的理論發展方面做出了巨大貢獻。這其中和本次諾獎關系最大的就是他關于“時空奇性”的若干研究和“宇宙監督假設”。為了能夠以最為通俗的方式讓讀者理解相關內容，我們在不至于導致謬誤的基礎上將不得不犧牲一些嚴謹性。希望對相關話題進一步深入了解的讀者可以參閱文章中所列舉的一些參考文獻。
圖2 青年時代的彭羅斯
彭羅斯關于時空奇性和宇宙監督假設的工作都是基于廣義相對論的框架，因此我們首先簡要介紹廣義相對論和黑洞的相關知識。引力現象無處不在，引力也是自然界中最普適的一種基本相互作用。牛頓在1687年的巨著《自然哲學的數學原理》中提出了萬有引力定律，統一了地球上的引力現象和天體的運動規律。事實上萬有引力定律也是人類最早發現的自然規律。在牛頓的萬有引力定律中，引力是物質之間的一種相互吸引力。由于它在描述引力現象時非常成功，在廣義相對論誕生前的200多年間，牛頓萬有引力定律被廣泛接受。1905年愛因斯坦提出了狹義相對論。狹義相對論認為所有的慣性系都是等價的；任何信號的傳播都需要時間，最高速度是光速。因此，牛頓萬有引力定律本身固有的超距作用與狹義相對論無法兼容。包括龐加萊和閔可夫斯基在內的一些物理學家當時都在找尋一個能夠將牛頓引力理論和狹義相對論相結合的新理論。但是，愛因斯坦基于等效原理和馬赫原理，認為相對論性的引力理論必然要超越狹義相對論。經過近10年的艱苦探索，1915年11月，愛因斯坦在普魯士科學院報告了引力場方程，正式宣告了廣義相對論的建立。廣義相對論將時空的幾何和時空中的物質分布用一個張量方程——愛因斯坦引力場方程——聯系了起來。在廣義相對論中，物質之間的引力相互作用來自于時空本身的彎曲效應，時空的彎曲方式又是由物質的分布決定。著名物理學家約翰·惠勒對引力場方程有一句形象的描述：物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質在其中如何運動。作為關于時間、空間和引力的理論，愛因斯坦廣義相對論是自牛頓引力以來人類認識引力現象的一次質的飛躍。一百余年以來，愛因斯坦的廣義相對論仍然是最為成功的引力理論，通過了大量的實驗觀測檢驗。基于廣義相對論和宇宙學原理建立的宇宙學標準模型也取得了巨大成功，其基本預言已經被大量的宇宙學和天文觀測所證實。廣義相對論甚至也在人們日常生活中發揮了重要作用，比如全球定位系統(GPS)為了精確定位，就需要考慮廣義相對論帶來的修正。黑洞和引力波作為廣義相對論的兩個重要預言，近幾年也終于得到了實驗的直接證實，為廣義相對論奠定了堅實的實驗基礎。
所謂黑洞，通俗地說就是一類引力強到連光也無法逃逸的特殊致密天體。廣義相對論中對黑洞的定義是“時空中光也無法逃逸的區域”。所以黑洞是“黑”的。這個區域的邊界稱為黑洞的事件視界，也是人們通常理解的黑洞的邊界。從上面的定義可以看出黑洞的一個典型特征：一旦有物體穿過視界進入黑洞便再也無法逃逸出來，即“只進不出”。黑洞的另一個重要特征是黑洞內部通常會存在一個奇點，這也是本文將要介紹的彭羅斯獲得諾貝爾獎工作的主角，下面兩節會重點解讀。
作為愛因斯坦引力場方程的一類特殊解，黑洞是純粹理論研究的產物。宇宙中是否真的存在黑洞，早年一直為人們所懷疑，愛因斯坦本人也不相信黑洞的存在。但是現代天文觀測表明宇宙中存在著大量的黑洞。這里大家可能就會疑惑，按照上面的理解，黑洞引力效應使得宇宙中跑得最快的光也逃不出去，應該是宇宙中最黑暗的天體，天文學家又是如何知道黑洞的存在呢？很有意思的是，讓人們“看到”黑洞的也是引力！這是因為黑洞的超強引力效應會導致很獨特的“氣質”，“暴露”了黑洞的存在。對黑洞的探測可以分為間接和直接兩種方法。間接探測主要是通過監測黑洞周邊的吸積盤或者伴星來確定黑洞的存在。當黑洞以強大胃口吞噬周圍物質時，會形成吸積盤，發出各種電磁信號，成為尋找黑洞蹤跡的探針。事實上，銀河系中絕大部分的恒星級黑洞是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的。如2019年轟動全球的一件大事情就是發布了黑洞的照片(圖3)[2,3]，也是利用黑洞周圍的電磁波來探測到黑洞的。對于那些平靜的黑洞，沒有吸積伴星氣體，黑洞超強引力會干擾臨近星體的運動，通過明亮伴星的運動軌跡就可以推知黑洞的存在，并測量黑洞質量。比如，這次諾貝爾物理學獎的另一半授予萊因哈德·根澤爾和安德里亞·格茲，他們就是通過這種方法來探測銀河系中心的“大家伙”。
直接測量可以通過黑洞碰撞產生的引力波進行。引力波是時空的漣漪，即時空本身的漲落通過波的形式從輻射源向外傳播。1916年愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。理解引力波最簡單的出發點是考慮線性化的引力場方程。在弱場近似下，考慮閔氏時空背景上度規的一個小擾動，這個度規的擾動滿足線性化的愛因斯坦場方程，可以發現擾動方程正好就是以光速傳播的無質量粒子的波動方程。這個以光速傳播的度規擾動(時空漣漪)就是引力波。由于規范自由度，引力波的獨立自由度只有兩個(通常稱為“+極化”和“×極化”，兩個極化方向的夾角為45°)，而且波的振動方向與傳播方向垂直，因此引力波是一種橫波(圖4)。2015年9月14日，位于美國的LIGO引力波探測器首次直接探測到了雙黑洞并合的引力波信號(GW150914)[4]。此次觀測結果與廣義相對論的預言相符，不僅直接證明了引力波的存在，也證實了黑洞的存在，同時也打開了一扇研究宇宙的新窗口。
圖4 沿z軸傳播的引力波對xy平面上按照環形靜止分布的質點的影響。上圖對應“+極化”，下圖對應“×極化”。引力波是一種以光速傳播的橫波，在其傳播所經過的空間點，會發生空間拉伸和壓縮等物理現象
雖然黑洞看起來很復雜很神秘，但是事實上刻畫黑洞卻非常簡單。對于一般含有電磁場的引力系統，刻畫黑洞只需要三個參數：黑洞有多重、帶多少電荷、轉動有多快。也就是說，只要給定質量、電荷和角動量三個參數，就可以唯一地確定一個黑洞。這就是廣義相對論中黑洞的唯一性定理(也叫無毛定理)。作為對比，可以想象描述一只小貓需要多少參數。不論前身多么復雜，一旦黑洞形成后，人們對黑洞所能獲取的信息只有質量、電荷和角動量，其他的信息全部喪失了。從這個意義上來說，黑洞又是宇宙中最簡單的一類天體。
黑洞可以按照“體重”分為如下幾類：恒星級黑洞、中等質量黑洞、超大質量黑洞以及小黑洞(也稱為微型黑洞)。恒星級黑洞的質量大約為幾倍(3倍以上)到幾百倍太陽質量，一般是大型恒星死亡后直接坍縮形成。中等質量黑洞大約為1千至10萬個太陽質量，這種黑洞不能通過恒星演化直接形成。目前的研究認為，中等質量黑洞是通過大量吸收周圍物質和互相合并而形成，簡單來說就是“吃出來的”。超大質量黑洞可以達到太陽質量的數十萬到數百億倍。觀測證據表明，幾乎所有的大型星系都有一個位于中心的超大質量黑洞。超大質量黑洞的質量是如何變得如此巨大一直困擾著天文和物理學家。此外，理論上也存在質量很小的黑洞，它們的質量接近或者遠小于太陽質量。這種小質量黑洞來自于宇宙早期的密度漲落坍塌。在宇宙演化的早期，物質非常稠密，在小尺度上分布可以非常不均勻，所以密度極高的小區域中的物質可以直接塌縮成黑洞，形成所謂的“原初黑洞”。原初黑洞是當前的熱門研究領域之一。它不僅在理論研究中具有重要價值，而且還是暗物質的一種可能候選者。原初黑洞也被用來解釋宇宙中的伽馬射線暴。對于太陽系可能存在的第九大行星，也有研究推測可能就是原初黑洞。
在廣義相對論建立的早期，由于人們對這一充滿革命性的理論知之甚少，在探索這一理論的過程中也曾遇到許多“困惑”。廣義相對論中的愛因斯坦引力場方程是一個高度耦合的非線性方程。對這種方程的求解是一個極為困難的事情。早期人們只能夠求解一些具有高度對稱性的情況。這其中最早的一個結果就是由德國物理學家施瓦西(Schwarzschild)在廣義相對論提出后一個月得到的真空球對稱解——施瓦西解，這也是第一個真正意義上的黑洞解。另外一個同樣著名的成果則是由俄國物理學家弗里德曼(Friedmann)在1922年得到的，它是描述各向同性均勻宇宙演化的弗里德曼—勒梅特—羅伯遜—沃爾克度規。雖然這兩個解描述的物理非常不同，但是人們發現它們有一個特別的相似之處：它們都表明時空中存在一個曲率無限大的點——“時空奇點”。這里說的曲率無限大確切地說是由曲率張量構成的某些標量是無限大的，這種類型的奇點稱作“曲率奇點”。實際上除了曲率奇點外，在廣義相對論中還有許多其他形式的奇點，比如“測地不完備”奇點。還有一些時空奇點處曲率并不發散。詳情可以參閱文獻[5]。后來，錢德拉塞卡、朗道和奧本海默等對于大質量恒星演化的研究表明：球對稱的大質量恒星在其核燃料燃燒耗盡之后將會不可避免地塌縮成為一個黑洞，從而導致時空奇點的形成(圖5)。由于在廣義相對論中時空的曲率具有可觀測效應，物理學上這種具有可觀測效應的無限大并不是物理學家所樂見的。因為在物理世界中并不存在什么真正的無限大。一個理論預言了“無限大”往往預示著這個理論的危機。
圖5 (a)一個球對稱的恒星塌縮為時空奇點的示意圖；(b)點電荷周圍的電場強度分布圖
廣義相對論的奇點疑難幾乎與廣義相對論同時誕生。然而在廣義相對論研究早期，包括愛因斯坦在內的許多物理學家并不認為在廣義相對論的框架下奇點會出現在真實的世界中。首先，施瓦西解和恒星晚期的演化都假設了球對稱性，但是真實的星體不可能具有那樣精確的球對稱性；其次，在弗里德曼—勒梅特—羅伯遜—沃爾克度規里，人們則假設了宇宙是均勻且各向同性的，但是真實的宇宙不可能具有理論模型中那樣完美的均勻對稱性。這使得一些物理學家認為真實的物理世界中并不存在奇點。這一想法非常自然。比如，在經典電磁學里一個點電荷的電場強度在中心處是發散的，但是這并不導致經典電磁學的任何危機——因為現實世界里不存在一個真正的“點”電荷。那么在廣義相對論里發現的那些“無窮大”也是因為模型過于簡化所致嗎？對于“球對稱”的偏離可以有效地避免時空奇點的產生嗎？關于這個問題的回答分為兩派：一派認為“發散”的出現是因為人們采用了過分理想、以至于現實中不存在的模型，其代表人物就包括蘇聯物理學家栗弗席茲(Lifshitz)和卡拉特尼科夫(Khalatnikov)等人；另外一派則認為在廣義相對論框架下時空的奇點是不可避免的，其代表人物就是彭羅斯以及2年前去世的史蒂芬·霍金(StephenHawking)。經過幾年的研究，最終彭羅斯和霍金的觀點勝出。這其中彭羅斯的數學背景起到了關鍵作用。
促使彭羅斯研究奇點問題的動機是20世紀70年代天文學上類星體的發現。類星體是距離我們非常遙遠的天體，遠在幾十億光年之外，但是其可見光區的輻射功率是普通星系的成百上千倍。類星體輻射的能量來源因此成為困擾天文學家的一個難題，而黑洞就為類星體的能源問題提供一個自然的解決方案[6]。1965年彭羅斯給出了第一個奇異性定理(也稱為奇點定理)的證明[7]。這一工作是里程碑式的。它首次在不依賴對稱性的情況下證明了：只要時空中的物質是由一些“正常”的物質構成(指它們滿足某些“能量條件”)，并且時空滿足一些基本的性質，那么時空的奇點是普遍存在、不可避免的。在彭羅斯最早的證明中要求時空滿足“整體雙曲性”，后來這個條件被放寬為滿足“編時條件”[8,9]。在證明奇異性定理的過程中，彭羅斯引入了現代廣義相對論研究中的許多重要概念，比如時空的奇異性、俘獲面、柯西面和時空的整體雙曲性等數學概念；并進一步發展了在描述時空整體因果結構極為有用的“彭羅斯圖”。這些數學概念與工具的發明極大地澄清了廣義相對論中的許多內容，奠定了廣義相對論中關于奇異性研究的基調，并在當代成為研究廣義相對論的標準語言。彭羅斯的這一篇開創性工作一經問世就迅速地吸引了許多物理學家的注意，這其中最為突出的代表就是霍金。實際上，1965年的文章只是彭羅斯一系列關于奇點定理文章的開篇。在其后的系列研究工作中，彭羅斯和霍金合作對彭羅斯1965年的結果進行了推廣(圖6)，并應用到宇宙學中證明了大爆炸奇點的普遍存在性[8,9]。至此彭羅斯和霍金等人徹底地回答了廣義相對論中奇點的存在性問題：球對稱性的偏離并不能有效地克服奇點的產生，奇點的形成在廣義相對論中幾乎是不可避免的。
圖6 彭羅斯(右)與史蒂芬·霍金的合影。史蒂芬·霍金已于2018年去世
當意識到奇點的不可避免性后，奇點附近的行為成為物理學家，尤其是廣義相對論研究者需要面對的一個棘手的問題。在奇點附近，將會出現各種“詭異”的現象。例如，奇點附近大量物質的產生。另外，裸奇點的存在甚至會影響到無限遠處的觀測者。如何避免這種不良的影響？為 此，在1968年到1969年間，彭羅斯提出了弱宇宙監督假設：除了宇宙大爆炸奇點外，奇點總是被一個稱為“黑洞事件視界”的表面所包裹，因此不再裸露，遙遠的觀測者不再受其影響[7,10,11]。
在廣義相對論的研究中，人們通常將事件視界定義為一個黑洞的邊界。事件視界獨特的性質使得其兩側的物理世界是因果隔絕的。由于人們生活在黑洞的外面，如果所有的奇點都隱藏在黑洞內部的話，那么奇點的存在就不會對人們所能夠觀測到的物理世界產生任何影響了。這就從一定意義上解決了奇點導致的各種破壞性問題。基于彭羅斯的“奇點普遍存在”的結論和“弱宇宙監督假設”，人們可以作如下思考：物理上可以產生的奇點必須包裹在一個事件視界中。由于宇宙中物質演化產生奇點是普遍存在的，這些奇點都應該隱藏在黑洞的事件視界中，因此黑洞的形成也一定是普遍的。這就是說，在廣義相對論中物質的演化必然導致黑洞的出現。弱宇宙監督假設的成立與否對廣義相對論自身和天體物理研究具有重要意義。弱宇宙監督假設如果成立，那么大質量星體的最終歸宿只能是黑洞。
例如，人們發現的第一個時空奇點——施瓦西黑洞的奇點。對于這樣的奇點，奇點的外部的確存在一個被稱之為“事件視界”的邊界。這一邊界將施瓦西黑洞中的奇點包裹起來，如圖7所示。事件視界完美地將施瓦西黑洞的奇點隱藏了起來，使得在奇點處任何破壞物理的怪異行為都不會對生活在視界外部的人們產生影響。從這個角度來說的話，施瓦西黑洞的奇點是一個“無害”的奇點(圖7)。對于已發現的大部分精確解，彭羅斯的弱宇宙監督假設都能被滿足。另外，研究表明：在一般條件下，普通物質組成的球對稱塌縮星體形成的黑洞，奇點也會被視界所包裹。然而，在某些特殊的情況下，球對稱的引力塌縮也可能導致裸露在視界外的奇點[12-15]。
然而，對這樣一些特例適用的解決方案到底有多大的普遍性呢？這需要人們對弱宇宙監督假設進行證明或證否。和彭羅斯證明奇點定理不同，宇宙監督假設是一個相當困難的問題，到目前為止仍然沒有獲得完全解決。事實上，黑洞視界定義本身就與時空的整體演化有著密切關系，不像奇點的定義那樣具有局域性，這自然也導致對宇宙監督的證明要比奇點證明困難得多。
鑒于宇宙監督假設如此重要，在無法直接解決這一問題的情況下，人們試圖對這一個問題進行“旁敲側擊”。彭羅斯本人就曾提出過兩個思想實驗來驗證宇宙監督假設。其中一個就是考慮可否通過一些物理允許的過程將一個黑洞“摧毀”，但是卻保留黑洞內部的奇點。實際上不難發現，如果宇宙監督假設正確，那么這樣的過程就不會存在。因此，如果有人能夠設計一個物理過程(哪怕只是理論上可行)來“摧毀”黑洞并使得奇點暴露出來，那么他就否定了宇宙監督假設；相反，如果人們在嘗試各種努力之后仍然無法摧毀黑洞，那么就從一定程度上暗示了宇宙監督假設的正確性。經過幾十年的努力，人們確實在理論上沒有發現摧毀黑洞的方法。這在很大程度上堅定了人們對宇宙監督假設的信心。彭羅斯本人提出的第二個思想實驗是考慮黑洞的視界面積大小，他發現如果宇宙監督假設成立的話，任何一個黑洞的視界面積都不會比相同質量的施瓦西黑洞的視界面積大。這個不等式在被提出后就吸引了許多數學家和物理學家的興趣。Trudinger，Gibbons，Geroch，Wald和Jang等人在這個不等式或改進型不等式的證明中都做出了重要貢獻。在彭羅斯提出這一結論20多年后，也就是2001年，數學家在證明這個不等式上取得了重要進展[16,17]，證明了一大類情況下黑洞的視界面積確實不會比同樣質量的施瓦西黑洞的視界面積大。不過，這個不等式在更一般情況下是否也成立目前還是一個尚未解決的問題。除了這兩個思想實驗外，人們也可以研究黑洞視界在擾動下的穩定性。這可以看成是在微擾意義下研究是否可以“摧毀”黑洞。若黑洞事件視界在微擾下不穩定，則奇點可能裸露在視界外部。因此關于黑洞穩定性的研究可以從另一個側面檢驗宇宙監督假設[18]。一系列研究表明[11,19—21]：在線性微擾下，大部分黑洞都是穩定的。因此奇點不會因為線性微擾而從視界內部裸露出來。實際上最近LIGO觀測到的雙黑洞合并產生的引力波以及“事件視界望遠鏡”對黑洞的直接成像都從實驗上驗證了黑洞的穩定性，因為倘若黑洞視界不穩定，實驗上就不可能觀測到黑洞存在的證據。
奇點的存在使得人們無法有效地預言時空中物理現象的演化[7,22,23]。廣義相對論的一個重要物理意義就在于它能夠計算并且預言時空的演化，但是奇點的出現破壞了這種可預言性。這對于廣義相對論來說是一個致命的挑戰。那么有什么機制能夠消除或者至少是減弱這種挑戰呢？為此彭羅斯提出了一個強宇宙監督假設：物理的時空都是可預測的。彭羅斯的工作表明奇點在經典廣義相對論中是不可避免的，為了使視界內的觀測者也無法觀測到奇點，這就要求奇點必須是類空的(類空奇點的一個例子是前文提到的施瓦西黑洞的奇點)。雖然人們可以依據廣義相對論預知其存在，但只有當真正撞上時才能 “觀測” 到這樣的奇點。關于強宇宙監督的研究也是近幾年的前沿熱點，本文作者近期的一個工作證明了對一大類帶毛黑洞而言其奇點一定是類空的[24]，算是對強宇宙監督假設成立證據的“添磚加瓦”。
廣義相對論是一個經典理論。上述關于黑洞和時空奇點的討論都是在經典廣義相對論的框架下進行的。結合二十世紀的另一重大科學成就——量子力學，人們對黑洞物理和引力本質等的理解又有了重要進展。考慮黑洞外量子效應，20世紀70年代，人們發現黑洞具有一個反比于其質量的溫度和正比于其視界面積的熵。由于黑洞是熱的，它會不斷輻射能量，其質量會逐漸減少。隨著黑洞不斷變小，黑洞的溫度會不斷上升，蒸發速度也會不斷加快，這就是霍金提出的“黑洞蒸發”理論[25]。“黑洞蒸發”是人們對于強引力場區域量子效應的里程碑認識，但同時也帶來了黑洞信息徉謬[26]，即黑洞在形成到相繼蒸發過程中是否滿足量子力學的幺正性(信息守恒)，通過霍金、貝肯斯坦等人的努力，建立了黑洞的熱力學定律，揭示了引力、熱力學和量子理論之間的深刻聯系。黑洞熱力學，尤其是引力全息性質的發現，不僅對深入理解引力本質提供了重要幫助，也為研究強耦合體系提供了有效方法。這些是近些年來引力和相關領域的重要前沿研究，黑洞也成為連接理論物理諸多重要學科的橋梁。近期一個重要進展是對黑洞信息徉謬的理解，基于引力全息，一些研究者采用半經典的方法解釋了黑洞的存在不會破壞信息守恒[27]，但是半經典理論目前還無法給出信息具體如何從黑洞內部逃逸的機制。一般來說，為了真正解決黑洞信息徉謬，人們還需要量子理論和廣義相對論的深入統一。
廣義相對論提出一百多年來，彭羅斯關于奇點的一系列開創性工作仍然被認為是自愛因斯坦以來對廣義相對論最重要的貢獻之一。正如諾貝爾物理學獎委員會主席大衛·哈維蘭所說“今年獲獎者的發現為致密和超大質量物體的研究開辟了新天地。但是，這些奇異的物體仍然提出了許多問題，這些問題需要解答，并激勵了未來的研究”。彭羅斯等人獲得諾貝爾獎并不意味著這個研究領域已經“蓋棺定論”。相反，關于引力、時空以及宇宙中的那些超大質量致密天體的研究仍然存在著太多的未解之謎等著人們去探索，而且廣義相對論也不是關于引力本質的終極故事。不過稍微有些遺憾的是，彭羅斯昔日的研究搭檔，曾經提出過著名的“黑洞蒸發”理論，開創了黑洞熱力學研究的先河，并因為奇點相關研究工作而與彭羅斯一起獲得1988年“沃爾夫獎”的著名物理學家史蒂芬·霍金已經于兩年前去世，未能見證這一榮耀的時刻。
從1916年施瓦西發現第一個黑洞解到現在，人們對黑洞已經有了深刻的理解。一方面，理論研究表明黑洞是一類特殊的致密天體，也是一個熱力學系統。從黑洞熱力學又發現了引力全息性質，對引力的認識有了質的飛越，為建立一個自洽的量子引力理論提供了啟示和方向。另一方面，實驗技術的革新不僅使人類聆聽到雙黑洞并合產生的引力波信號，也成功實現了直接給黑洞拍照。從某種意義上說，我們正生活在研究引力和黑洞的黃金時代。但是，關于黑洞仍然存在很多未解之謎，比如黑洞的內部結構和奇點，黑洞熵的微觀自由度，黑洞蒸發面臨的信息丟失問題。還有一些相關的更基本的問題：黑洞的本質是什么？引力的本質是什么？時空是否從一個基本的理論中產生？對這些問題的最終解決還有很長一段路要走。但是這些問題的突破必將引導人們打開新物理的大門，而黑洞無疑將是打開這扇大門的一把關鍵鑰匙。
你知道物理學中有哪些成功的理論預測嗎？
