2020 諾貝爾物理學獎公布，「黑洞獎」頒獎詞暗藏玄機

作者 | 汪詰

來源 | 科學有故事

2020 諾貝爾物理學獎解讀

今天繼續來給大家講 2020 年的諾貝爾獎，今年各種意外很多，就連諾貝爾物理學獎也不例外。今年的物理學獎的獎金大約相當於 760 萬人民幣，其中一半發給了英國科學家彭羅斯，理由是他計算出黑洞的形成是廣義相對論的預言；另外一半獎金由德國人賴因哈德 ·根澤爾和美國人安德裡亞· 蓋茲二人平分，表彰他們在銀河系中心發現了一個超大質量的緊湊型物體。

從左到右：彭羅斯、根澤爾、蓋茲

「發現了一個超大質量的緊湊型物體」這句話說得很嚴謹，如果是我們做科普的話，一般都會直接說發現了銀河系中心黑洞。

說實話，這次頒獎讓業內人士也是頗感意外。其實，我看到羅傑·彭羅斯這個名字的時候，確實也有點兒興奮，終於又在諾獎名單上看到熟人了。我在以前的節目中沒少提到他，他是科普節目的常客，霍金在書裡沒少提到過他，他寫的最出名的書是《皇帝新腦》和《通向實在之路》，也可以算是一位科普作家。彭羅斯原本是個數學家，後來轉向物理方面，他最大的貢獻就是與霍金合作，計算出奇點在黑洞中的形成是必然的。

我給大家再簡單介紹一下彭羅斯的貢獻到底是咋回事。我們都知道，愛因斯坦提出了廣義相對論。按照廣義相對論，引力就是時空的彎曲。在廣義相對論發表沒多久，德國科學家史瓦西在參軍當炮兵上尉期間，計算出了愛因斯坦場方程的一個特殊的解，這個解存在一個無法消除的奇點，奇點外面有一層視界面，這就是最經典的史瓦西黑洞。

不過，當時的人們可不敢相信我們的宇宙中真的存在這樣奇怪的天體。要知道，愛因斯坦的場方程可以解出許多奇奇怪怪的解，看上去很像是一種數學遊戲。按照早期科學家們的認知，恆星想要塌縮成黑洞需要的條件極為苛刻，有點像引爆原子彈那樣，所有物質必須要同一時間內均勻壓縮到一個極小的範圍內，想要讓這種步調完全一致，這就要求恆星必須具備極其完美的對稱性，但是在自然中，其實並不存在完美對稱的天體。

但是，彭羅斯和霍金用數學改變了早期科學家們的觀念，他們給出了一個嚴格的計算過程，他們一起用數學證明，即便是在寬泛的條件下，大質量恆星不需要完美對稱，我們能觀測到的大質量恆星，基本都滿足條件，在塌縮的過程中，不對稱性會消除，最終必定會塌縮成一個奇點。這個證明，在學術界被稱為「奇點定理」。

不過說實話，他們的計算過程據說非常的複雜難懂，我是沒有勇氣去看那些數學證明的，每次仰望數學大神，我都會覺得自己跟傻子一樣。奇點是數學中的一個概念，黑洞離不開它，同樣，宇宙大爆炸也離不開奇點這個概念。所以，這個理論的現實意義非常明顯，起碼來講，這說明我們這個宇宙的的確確存在形成黑洞的客觀條件的。

當然，彭羅斯和霍金他們對奇點定理的研究是一個純理論計算，按照諾獎多年積累的習慣，諾獎很少頒發給純理論貢獻。愛因斯坦當年獲得物理學獎也不是因為相對論，而是因為光電效應。諾獎委員會的謹慎是可以理解的，儘管在當時愛丁頓已經通過對日食的觀測，拿到了支持廣義相對論的有力證據，儘管廣義相對論計算水星進動和觀測值非常符合，但是負責評審的人顯然還是不夠放心的，他們怕萬一還有別的理論也能完美地解釋這一切，那該怎麼辦呢？諾獎可沒有辦法 ctrl+z 啊。所以，諾獎委員會的心態就是讓子彈飛一會兒，沉住氣，讓時間檢驗一切。

所以，這次彭羅斯獲獎，稍稍帶給大家一點不一樣的感覺，難道以後的風向要變？搞弦理論的愛德華·威滕有希望嗎？是不是霍金的去世打動了某些人？

還是前一陣子黑洞照片的問世已經讓評委們信心十足了？這些恐怕就要等到 50 年後諾獎檔案解密，才能知道真相了。不過我覺得科學界的很多大佬，一定要保重身體啊，諾獎很可能在等著你們！楊振寧先生的規範場理論完全值得再拿一個諾獎。

說完了彭羅斯，我們再來講另外兩位獲獎者。

大家知道，黑洞完全不發光，即便是存在霍金輻射，但是太微弱，以現在的技術能力是根本檢測不到的。從這個意義上講，我們其實沒辦法直接「看到」黑洞，只能通過觀測那些只有用黑洞才能解釋的現象來證實黑洞的存在。

而歷史上第一份最強有力的證據就是本次諾獎得主根澤爾和蓋茲發現的。這兩位科學家的主攻方向是天文觀測。他們各自帶領了一個團隊，在銀河系中心發現了不同尋常的現象。

很早的時候，天文學家們就注意到銀河系中心會發出比較強的無線電波。這個射電源就被稱為A*，這麼看來，銀河系的中心應該隱藏著某種秘密。要觀察銀心，地球的位置其實很不利，因為我們要穿過銀河系的半個盤子才能看到核心，一路上的氣體塵埃都是觀察的障礙。那麼該怎麼辦呢？可見光不行，只能依靠紅外線。在紅外和微波波段，塵埃和氣體的遮擋作用就不那麼明顯了。

從左到右：用紅外光、可見光和 X 射線觀測描繪出的銀河系圖像

根澤爾是德國馬克斯普朗克外星物理研究所的所長，他在亞毫米波和紅外線天文學方面有很大的貢獻。他帶領的團隊觀察到有一些恆星在繞著銀河中心很小的一塊區域瘋狂地繞圈圈，但是中間卻空無一物，看不見任何東西。

根據周圍恆星的繞行軌跡，可以計算中心天體的質量，一算之下，嚇一跳，銀心的那個看不見的天體竟然達到了驚人的 410 萬倍太陽質量。這麼巨大的質量，在望遠鏡裡卻什麼看不見，那這能是什麼東西呢？

另一位獲獎的蓋茲是一位女天文學家，她也是第 4 個獲得諾貝爾物理學獎的女性。她在紅外線天文觀測以及自適應光學方面都有貢獻。在根澤爾的基礎之上，她把觀察精度大大推進了一步。因為她有辦法抵消地球大氣層對觀察的幹擾。蓋茲可以調動凱克天文臺的兩臺口徑 10 米的大望遠鏡對銀河中心進行聯合觀測，凱克望遠鏡是具有自適應光學功能的，專門用於抵消大氣造成的扭曲和畸變。

她經過多年的數據積累，再根據周圍的恆星軌道對這個天體尺寸進行估算，她的結論是，這個天體的平面大小，大約相當於天王星繞著太陽畫出的那個圓的大小。這個大小聽上去很大，可是相對於它的質量來說，其實是很小的，不是黑洞又是什麼呢？

不過，且慢，按照諾獎委員會的頒獎詞，授獎原因是因為他們發現了銀河系中心的「超大質量的緊湊物體」，沒說是黑洞。這有些奇怪啊，為什麼前面提到彭羅斯的貢獻，大大方方地講黑洞，怎麼後邊就不肯提了，換了個「超大質量的緊湊物體」這種非常冗長嚴謹的說法，為什麼呢？

我想啊，是因為理論物理學家和搞實際觀測的科學家是兩個不同的專業，標準是不一樣的。對彭羅斯來說，黑洞不過是愛因斯坦場方程的一個特殊的解，是個理論上的假說。黑洞的概念非常清晰明了，只要用質量、電荷、角動量這三個基本參數就能描述了。但是，搞觀測的天文學家們到底看到了什麼？準確地說，他們觀察到了一個這樣的東西：它對周圍的天體有強大的引力，而且自身體積相對龐大的質量來說非常小，這個天體烏漆麻黑，不發光也不反光。

按理說，我們實在是想不到還有什麼樣的物理過程可以在如此高的密度之下強撐著不塌縮成黑洞。這種天體只可能是理論物理學家描述的那個黑洞。但是，有沒有可能存在黑洞以外的解釋呢？可能嗎？不可能嗎？誰又敢拍胸脯打包票呢？

經常有人說科學很傲慢，但是，你看，諾獎委員會的那些老頭可謹慎了，一點也不傲慢，哪怕是萬分之一的可能性，他們也不敢把話給說滿了。

其實，從邏輯上講，我們並沒有可能 100% 地去證實任何一個物理理論，只有證偽一個理論在邏輯上可以做到。

名偵探柯南的那句臺詞是：「真相永遠只有一個」。但是在科學上，這句話可能需要改為「真相後面或許還有真相」。

所以，大家要理解一下諾獎委員會老頭子們的嚴謹態度。

這次諾獎頒發給這 3 個人的理由是什麼呢？要知道，最近這幾年，天文領域頒獎的比例很高，而研究粒子物理的科學家們眼巴巴的就是很難輪上。我想，或許有一個很大的原因是我們在 2019 年拍到了 M87 星系中心的那顆超大質量黑洞的照片。這就好像我們雖然看不見氣球裡的空氣，但是我們能看到鼓起來的氣球皮一樣。雖然我們無法直接看到黑洞，但是看到了周圍的吸積盤，吸積盤的中間確實有個洞，也算是實錘證據吧。

但評審委員們還是非常非常的嚴謹，這頒獎詞也是儘量寫得滴水不漏。一不小心就把我們這些搬著小板凳看熱鬧的吃瓜群眾給搞暈了！說通俗一點，今年的諾貝爾物理學獎是個徹頭徹尾的「黑洞獎」。做理論研究的彭羅斯能獲獎，觀測到銀河系中心超大質量黑洞的根澤爾和蓋茲也能獲獎。那麼接下去是不是直接拍攝黑洞照片的科學家們也能獲獎呢？我覺得可能性不大，因為一次諾獎得主不能超過 3 個人，那張照片是幾百人大團隊的通力合作的結果。

圖：部分參與「拍攝」第一張黑洞照的團隊成員

好，這就是今年物理學獎的解讀。今天的結尾感慨就一句話：

說科學家傲慢的人其實並沒有真正理解科學是什麼。科學是到目前為止，人類最謙虛謹慎的一種思想體系，沒有之一。

（思進註：本文僅代表原作者個人觀點，不構成投資建議，更並不代表本號立場。文中的論述和觀點，敬請讀者注意判斷……）