霍金的朋友、著名數學家彭羅斯獲得2020年諾貝爾物理學獎

2020-10-09 風雲之聲

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在此之前，許多科學家對黑洞的看法是，它只會出現在非常特殊的條件下（如完美的旋轉對稱），稍有不對稱就會導致黑洞不出現。也就是說，他們認為，現實條件下不會出現黑洞。但彭羅斯和霍金證明了，這種看法是錯的，黑洞在真實的宇宙中完全可以出現。


每年的諾貝爾獎公布時，第一天我基本都沒啥可說的，因為是生理學或醫學獎。從第二天開始，我有所了解的可能性就大增了，因為第二天是物理學獎，第三天是化學獎。

2020年10月6日，諾貝爾物理學獎公布了。令我吃驚的是，這次我不但是有所了解，而且是了解得不算少，能立刻解讀一下。

因為這第一位獲獎者實在是太有名了，羅傑·彭羅斯（Roger Penrose，1931 - ）。他是一位著名的科普作家，我看過他的《皇帝新腦》。實際上，看過「第一推動叢書」的人都會記得，彭羅斯是霍金（Stephen William Hawking，1942 - 2018）的朋友與合作者。他們倆都是英國人。

諾貝爾獎網站上的彭羅斯像

2018年3月14日，霍金去世的當天，我寫了一篇文章《紀念霍金：人是一根會思想的蘆葦》。裡面介紹了霍金在科學、科普以及勵志等方面的貢獻，其中我說到，霍金沒有得諾貝爾獎，是因為他的成果沒有達到諾貝爾獎的級別。現在我必須要收回這句話了，因為這次彭羅斯得獎的成果，有很多正是跟霍金一起做的！

具體解釋一下，諾貝爾獎網站上彭羅斯得獎的理由（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/penrose/facts/）是，「由於發現黑洞的形成是廣義相對論的一個穩健的預測」（for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity）。

這話是什麼意思呢？我在霍金的書中看到過。他們證明了，廣義相對論在很廣泛的條件下都會導致黑洞。這就是所謂「穩健的預測」。

為什麼這很重要？因為在此之前，許多科學家對黑洞的看法是，它只會出現在非常特殊的條件下（如完美的旋轉對稱），稍有不對稱就會導致黑洞不出現。也就是說，他們認為，現實條件下不會出現黑洞。但彭羅斯和霍金證明了，這種看法是錯的，黑洞在真實的宇宙中完全可以出現。

我的同事、科大天文學系教授袁業飛傳給了我一些原始文獻，包括彭羅斯1965年的文章《引力塌縮與時空奇點》（Gravitational Collapse and Space-Time Singularities）以及霍金與彭羅斯1970年的文章《引力塌縮和宇宙學的奇點》（The singularities of gravitational collapse and cosmology）。

《引力塌縮與時空奇點》

《引力塌縮和宇宙學的奇點》

在彭羅斯工作的基礎上，霍金證明了，如果逆著時間軸看，那麼大爆炸就是塌縮，所以整個宇宙也必不可免來自奇點。也就是說，以前人們討論的是「在當前的宇宙中是否存在奇點」，霍金推廣到了「整個宇宙的過去肯定有個奇點」。

廣義相對論巨著《Gravitation》對彭羅斯的評價

廣義相對論巨著《Gravitation》對霍金的評價

在了解這些工作之後，我們立刻會產生一個感覺：霍金實在是太虧了！他如果多活兩年，也許就會跟彭羅斯一起得諾貝爾獎了。

當然，也有可能是誰都得不了，因為諾貝爾獎一次最多發給三個人，而這次正是發給了彭羅斯與另外兩個人。如果霍金還活著，反而會讓諾貝爾獎委員會很難辦。

實際上，彭羅斯已經89歲了，因此這次可以理解為「搶救性頒獎」。這種做法近年來越來越多。

例如2017年因為發現引力波獲得諾貝爾物理學獎的三個人雷納·韋斯（Rainer Weiss）、巴裡•巴裡什（Barry Clark Barish）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），獲獎時分別是85歲、81歲和77歲（《聽三位諾貝爾獎得主講引力波 | 袁嵐峰》）。而且他們還有一位重要合作者羅納德·德雷弗（Ronald William Prest Drever）在2017年初去世了，享年85歲。


墨子沙龍引力波大會

羅納德·德雷弗

又如2018年獲得諾貝爾物理學獎的「光鑷之父」亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin，1922 - 2020），獲獎時已經96歲了（《日本諾貝爾獎現在多於中國很正常，但未來屬於中國 | 袁嵐峰》）！打破了諾貝爾獎的高齡紀錄。


亞瑟·阿什金

更神的是，第二年這個紀錄又被97歲的諾貝爾化學獎得主John B. Goodenough（1922 - ）打破了（《97歲的「足夠好」老爺子刷新紀錄：2019年諾貝爾化學獎的故事 | 袁嵐峰》）。開玩笑地說，Goodenough應該叫做Oldenough。

John B. Goodenough

不久前的2020年9月21日，阿什金老爺子去世了，享年98歲。而Goodenough老爺子，仍然一如既往地超長待機，正如他研究的——鋰電池。

又如2019年得獎的詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），也已經84歲了（《踏過宇宙漣漪，我心澎湃依舊：2019年諾貝物理學獎的故事 | 袁嵐峰》）。他獲獎的理由是一個比較曖昧的說法，「因為物理宇宙學中的理論發現」（for theoretical discoveries in physical cosmology），這在諾貝爾獎中是相當少見的。其實就是因為不給老爺子說不過去，那就趕快把他的成果打包發一個吧！

詹姆斯·皮布爾斯

從宏觀來看，這也許反映了物理學理論進步的緩慢。新的大成果發完了，如果給次一級的成果又覺得不公平，不得不把以前的理論成果翻出來發獎。所以這種搶救性頒獎，既是對上個世紀物理學成就大爆發的追認，也是對當前物理學重大突破匱乏的無奈。

關於彭羅斯還有一點有趣的是，他的學術背景更多的是數學家，而不是物理學家。所以可想而知，我的許多做數學科普的朋友，都會宣布：「震驚！數學家彭羅斯獲得諾貝爾物理學獎！」

例如，許多人知道彭羅斯，不是因為他對廣義相對論和量子力學的貢獻，而是因為彭羅斯鑲嵌（Penrose tiling）。這是一種用兩種基本圖形組成的拼圖，可以鋪滿整個平面，但沒有周期性。這不但是個有趣的數學圖形，而且由於它的五次對稱性，對一種叫做「準晶」（quasicrystal）的物理現象也有很大的啟發。

彭羅斯鑲嵌

最後再說一下，跟彭羅斯同時得獎的是德國科學家Reinhard Genzel與美國科學家Andrea Ghez。他們得獎的理由是「由於在銀河系的中心發現具有超級質量的緻密天體」（for the discovery of a supermassive compact object at the centre of our galaxy），用大白話說，就是發現銀河系中心的黑洞。一般認為，這個黑洞的質量是4百萬倍太陽質量。彭羅斯獲得了獎金的一半，這兩位各獲得了1/4。

Reinhard Genzel

Andrea Ghez

這更加讓我們理解了，為什麼今年要發給彭羅斯。如果彭羅斯和霍金這兩位預測黑洞存在的理論家沒得獎，發現黑洞的實驗家卻得獎了，這怎麼說得過去？

我們在為霍金唏噓的同時，也可以意識到：由於《時間簡史》這部科普神作以及身殘志堅的傳奇形象，霍金對公眾的影響、對科學的貢獻都遠遠超越了諾貝爾獎的範疇。仁遠乎哉？我欲仁，斯仁至矣！

霍金的笑


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背景簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，「科技袁人」節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，入選「典贊·2018科普中國」十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

責任編輯：陳昕悅

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    今年的諾貝爾物理獎首次頒發給了黑洞的研究，這太出乎大家的意料了，這個耳熟能詳的概念竟然是第一次站上諾貝爾物理學獎的頒獎臺。父親Lionel Penrose是英國知名的遺傳學專家、精神病學專家、兒科醫生、數學家，1960年獲得拉斯克醫學獎（註：該獎也有諾貝爾風向標之稱，2020年諾獎醫學獎獲獎者就都有拉斯克獲獎經歷）。
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    2020年10月6日，瑞典皇家科學院宣布了2020年諾貝爾物理學獎的得主。英國數學物理學家羅傑·彭羅斯由於「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言」獲得了一半獎金；德國天體物理學家賴因哈德·根策爾和美國天文學家安德烈婭·蓋茲則由於「在我們星系中心發現超大質量緻密天體」分享了另一半獎金。
  • 彭羅斯：數學家得了物理學獎
    2020年10月6日，瑞典皇家科學院宣布了2020年諾貝爾物理學獎的得主。因此彭羅斯的研究大量採用了拓撲手段——他自己稱之為「光線拓撲學」，這恰好也是他作為數學家——而且是以幾何領域的研究獲得博士學位的數學家——的強項。靈感降臨目標雖已確定，手段雖屬強項，對奇點的研究依然很是艱深，需要一定的靈感。彭羅斯後來記敘過他在這一研究中的一個重要靈感的由來。
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    今年的諾貝爾物理獎首次頒發給了黑洞的研究，這太出乎大家的意料了，這個耳熟能詳的概念竟然是第一次站上諾貝爾物理學獎的頒獎臺。（註：該獎也有諾貝爾風向標之稱，2020年諾獎醫學獎獲獎者就都有拉斯克獲獎經歷）。
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