瑞典當地時間10月6日中午，諾貝爾獎委員會宣布將2020年諾貝爾物理學獎授予英國數學物理學家彭羅斯（Roger Penrose），表彰他對「發現黑洞形成是廣義相對論的堅實預測」，以及根澤爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們「發現銀河系中心有一個超大質量緻密天體」。
對發現黑洞作出理論研究的彭羅斯，他作為一個數學家，到底有何獨特貢獻？著名科普作家盧昌海博士給出了他的簡要回答。
問：關於彭羅斯的獲獎原因，諾貝爾委員會給出的是「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言」（「for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity」），諾獎委員會發布的科普材料裡還提到了奇點定理，您能簡單科普一下這項成果的內容和意義嗎？
盧昌海：1916年1月，距愛因斯坦（Albert Einstein）發表廣義相對論場方程不到兩個月，德國物理學家施瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了場方程的一個嚴格解。黑洞作為廣義相對論的預言，若干主要特徵（比如它的視界及所包含的奇點）在這個解中就已經體現出了——雖然物理學家們用了很多年的時間來挖掘和理解那些特徵。1939年，美國物理學家奧本海默（J. Robert Oppenheimer）和學生辛德（Hartland Snyder）對恆星坍塌為黑洞的過程進行了研究。這些都在一定程度上支持了廣義相對論對黑洞的預言。但這些研究都假定了嚴格的球對稱性，而現實世界裡的恆星雖接近球形，卻不可能是嚴格球對稱的。因此，這些研究作為對黑洞的預言都不夠堅實。對恆星能否坍塌為黑洞，甚至黑洞能否存在，當時仍有大量懷疑——懷疑者中包括了愛因斯坦本人。
彭羅斯對黑洞研究的重要貢獻是，他採用了在當時的廣義相對論研究中還很新穎的幾何與拓撲方法，在不依賴對稱性的很普遍的條件下，證明了作為黑洞核心組成部分的奇點的出現是廣義相對論的必然推論。他的這類研究最早的一項完成於1965年，但那項研究仍假定了一個物理上無法確立甚至有可能不成立的條件，從而並不能完全打消對黑洞的懷疑——或者說仍不夠「堅實」。1970年，彭羅斯與霍金（Stephen Hawking）合作，去掉了那個條件，得到了一個更普遍的定理——即「霍金-彭羅斯奇點定理」。這個定理的所有條件都很現實，比如可在大質量恆星的坍塌過程中得到滿足，因此它的結論，即奇點的出現是廣義相對論的必然推論，也就非常堅實。諾貝爾委員會所說的「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言」指的就是這個——重點在「堅實」二字上。
問：作為一名數學物理學家，彭羅斯以純理論的成果獲得諾貝爾物理學獎，在近年是非常少見的，對此您怎麼評價呢？
盧昌海：諾貝爾物理學獎通常頒給重大的觀測、實驗或與這兩者關係密切（比如對之作出解釋）的理論研究。純理論的研究也並非不能獲獎，但通常要等到其預言被觀測和實驗所證實——即不再是「純理論」——的那一天（這有時得等幾十年，甚至研究者至死也沒等到也屢見不鮮）。不過，彭羅斯的研究跟以往獲獎的純理論研究有些不同，它本身並不預言任何東西，而只是替廣義相對論作出了一個「堅實預言」——那預言無論被推翻還是證實，影響的都是廣義相對論而不是彭羅斯的研究，後者的正確性只取決於它的數學推理的正確性。從這個意義上講，彭羅斯的獲獎成果更接近數學定理——只不過是以廣義相對論為框架的數學定理。但是，這樣的數學定理對於揭示廣義相對論的性質有非常重要的價值，從這個角度講，它的性質雖是數學，領域卻是物理，獲得諾貝爾物理學獎雖然少見，卻並不「僭越」。
問：您在微博上說：「從某種意義上講，今年的諾貝爾物理學獎也許會成為一種尷尬。因為未來人們提起今年的諾貝爾物理學獎時，最容易想到的就是霍金。霍金的巨大聲望固然有很大比例來自他的身體條件，但他在黑洞研究上的實質貢獻也並不亞於——甚至可以說是高於——彭羅斯。霍金的不獲獎原本是說得通的，因為他的研究是純理論的，雖然黑洞本身的觀測證據已經很強，直接驗證他的理論卻依然近乎不可能，從而不獲獎也說得通。但彭羅斯的黑洞研究是同樣類型的，他的獲獎直接推翻了霍金不獲獎的理由，且這種推翻並不是基於霍金去世之後才出現的新論據，從而使霍金的不獲獎成為了諾貝爾獎的一次無可推脫的缺漏，而且特別引人注目。」對此，您能簡單展開描述一下嗎？另外，霍金如果在世，能否獲得這一獎項？
盧昌海：彭羅斯的名字經常和霍金的名字連在一起，這不是偶然的。這兩人合寫過論文也合著過書，前面提到的「霍金-彭羅斯奇點定理」就是一個例子。諾貝爾委員會在獲獎成果介紹中對彭羅斯1965年的研究著墨較多——也許因為那是彭羅斯一個人的成果。但如前所述，那項研究其實不夠「堅實」。與彭羅斯基本同時，霍金當時也在研究奇點（只不過彭羅斯的研究偏於黑洞奇點，霍金的研究則偏於宇宙學奇點），兩人1970年合作得到的「霍金-彭羅斯奇點定理」才足夠「堅實」，真正稱得上是「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言」。因此，霍金對此次獲獎成果的貢獻也是很大的。除此之外，霍金還在黑洞熱力學（其中包括了著名的「霍金輻射」）、「黑洞無毛髮定理」等方面做過重要研究。因此我在微博上說，「霍金的巨大聲望固然有很大比例來自他的身體條件，但他在黑洞研究上的實質貢獻也並不亞於——甚至可以說是高於——彭羅斯」。
至於我說「今年的諾貝爾物理學獎也許會成為一種尷尬」，倒不是覺得彭羅斯的獲獎有何不當——如前所述，我對他的獲獎是持肯定態度的。我甚至希望今後有更多純理論的研究獲得諾貝爾物理學獎，因為這類研究其實早已是現代物理研究的重要組成部分了。只不過，彭羅斯的獲獎使霍金的不獲獎變得很突出，所謂「尷尬」指的是這個。諾貝爾獎的提名記錄有50年的保密期，等最近幾十年的記錄解密之後，我相信人們會看到霍金獲得過大量提名。對於他的不獲獎，唯一說得通的理由就是他的研究是純理論的，幾乎不可能被觀測和實驗所驗證。但彭羅斯的黑洞研究是同樣類型的，因此他的獲獎推翻了這一理由。也因此，我說彭羅斯的獲獎「使霍金的不獲獎成為了諾貝爾獎的一次無可推脫的缺漏，並且特別引人注目。」
當然，微博不可能面面俱到，從積極的方面講，我們也可以將彭羅斯的獲獎視為諾貝爾獎的一次「糾偏」，糾正對純理論研究的偏廢，雖然很遺憾地沒能在霍金生前就「糾」，但終究也是進展。
至於霍金如果在世能否獲得這一獎項，答案在我看來是非常肯定的。針對黑洞的純理論研究不頒獎則已，若頒獎且霍金在世，只頒給彭羅斯而不頒給霍金是難以想像的。