連中兩枚諾獎，德國這個機構什麼來頭？

最近兩天，德國科學界喜事成雙，連獲物理和化學兩枚諾獎。

10月6日，2020年諾貝爾物理學獎授予三位科學家，除了英國數學物理學家彭羅斯之外，德國馬普地外物理學研究所所長根澤爾和美國科學家加州大學洛杉磯分校教授蓋茲，因為「發現銀河系中心有一個超大質量緻密天體」也同樣獲獎。彭羅斯證明了一般性的黑洞；而根策爾和蓋茲，則在宇宙中真正地看到了確鑿無疑存在著的天體級別黑洞。

第二天，兩名女科學家則繼續獲得諾貝爾化學獎，德國馬普病原體科學研究所主任卡彭蒂耶(法籍)和美國加州大學伯克利分校教授道德納，表彰她們在基因組編輯方法研究領域作出的貢獻：CRISPR/Cas9基因剪刀—重寫生命密碼的工具。

同一時間，同一機構，連獲物理和化學兩枚諾獎，一舉成為世界的焦點。

這就是德國馬克斯·普朗克科學促進學會科學（簡稱馬普學會MPG）。

測量，精確地測量，更加精確地測量

德國慕尼黑近郊嘉興（Garching）的馬普學會地外物理研究所所長根策爾帶領的研究小組用高精度方法觀察了銀河系中心的黑洞-包括來自黑洞附近的氣體爆發出的亮度，以及該質量怪獸在流星的照耀下引起的引力紅移。

萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·蓋茲通過探測恆星環繞中心黑洞的周期來推斷中心黑洞的質量。用天體物理學的方法——也就是用光學望遠鏡，發現在很小的區域裡面，有些恆星的質量超大，達到了數百萬倍的太陽質量。距離銀河系中心最近、最亮的那些恆星的軌道被越來越精確地繪製出來。他們各自領導了一個天文學家小組，從上世紀90年代初開始，就一直致力於研究銀河系中心一個名為人馬座A*的區域。兩個研究小組的測量結果一致，他們都發現有一個質量非常大的不可見物體，它牽引著這一團恆星，使它們以令人眩暈的速度四處亂竄。

圖1 銀河系、太陽系和銀河系中心的人馬座A* （來源：馬普學會官方網站）

根澤爾和他的小組近年來在銀河系和銀河系地外物理學中取得了一些開創性成果。例如：2001年，研究人員通過紅外線檢測到距離我們約26,000光年的銀河系的心臟。以高空間解析度繪製了中央星團中恆星的運動。藉助自適應光學器件來補償空氣湍流和稱為散斑幹涉法的過程，他們能夠精確地測量假定的黑洞引力場中的星速，直至0.1弧秒的距離。由此，根澤爾和馬普地外物理研究所的天文學家確定了黑洞的質量，其精確度非常高，約為431萬太陽質量。

根澤爾小組的進一步研究表明，星系中心恆星的質譜和幾何形狀都不尋常。科學家還發現了紅外範圍內的輻射爆發，這些輻射可能源自黑洞內部吸積盤附近的氣體。僅在去年，根澤爾才首次成功地在恆星上演示了所謂的引力紅移。天文學家使用諸如重力，Sinfoni和Naco之類的敏感儀器來觀測銀河系中心。它們都屬於歐洲南方天文臺（ESO）的超大型望遠鏡，是在馬克斯·普朗克地外物理研究所的指導下建造的，並用紅外光對天空進行了構圖。

科學家們將重力和Sinfoni的位置和速度測量結果以及早期對S2恆星的觀測結果與牛頓引力物理學，廣義相對論和其他引力理論的預測進行了比較。實際上，新結果與牛頓的預測相矛盾，但與廣義相對論完全吻合。

這些測量清楚地顯示出一種稱為引力紅移的效應：來自恆星S2的光被黑洞的非常強的引力場拉伸到更長的波長，因此顯得微紅色。波長的這種變化與愛因斯坦廣義相對論的預測完全吻合。這是研究人員第一次觀察到恆星繞超大質量黑洞運動時，對較簡單的牛頓重力理論預言的一種偏離。

同樣在2018年，根澤爾發表了一篇論文，關於觀測銀河黑洞附近的亮度爆發。研究人員看到了三個這樣的耀斑。它們都具有相同的軌道半徑和相同的軌道周期。這三個熱點耀斑在銀河系中心的運動可以用一個簡單的軌道模型來解釋，該軌道模型的半徑是黑洞事件視界半徑的三到五倍。根澤爾小組發現，氣體以光速30％的速度在其周圍迴旋-與理論描述完全相符。

直到今年春天，由馬克斯·普朗克主任領導的一個團隊才有了另一個重大發現：對S2恆星軌道的多年觀察表明，它在太空中並沒有保持靜止，而是緩慢均勻進展。這意味著，S2旋轉數圈會形成玫瑰花冠的形狀。愛因斯坦（Albert Einstein）在他的廣義相對論中也預言了這種效應。例如，他解釋了眾所周知的水星軌道的自轉。

這是通過重力儀器獲得成功的發現，該儀器將歐洲南方天文臺（ESO）超大型望遠鏡的所有四個八米反射鏡的光線結合在一起。得益於這種稱為幹涉測量的技術，重力可以產生具有有效直徑130米的虛擬望遠鏡的功能。

圖2 太空中的玫瑰花冠 （來源：馬普學會官方網站）

觀測首次顯示，繞銀河系中心的超大質量黑洞運行的恆星的運動與愛因斯坦的廣義相對論所預測的完全相同：呈玫瑰花冠的形式。該圖充分說明了恆星軌道的Schwarzschild進動（為了更好地理解原理，此效果圖被放大）。

精確測量銀河中心黑洞的質量是對天體物理研究開創性的突破和貢獻。黑洞是廣義相對論最重要和最早的預言，是天體物理領域最重要的觀測結果之一，也是宇宙中最令人著迷的天體。自上世紀70年代以來根澤爾幾十年專注於該領域，樂此不疲。他在接受採訪時說接下來更大的願望是製造更強大的測量工具。測量，精確地測量，更加精確地測量，這句話是他的同事2005年諾貝爾物理學獎獲得者馬普學會量子光學科學家西奧多跟他說的。只要有奇妙的測量，就可以期待獲得更多精確的結果。

圖3 精確的測量 （來源：馬普學會官方網站）

在運行過程中，各種儀器使用巨大望遠鏡拍攝了人馬座A *周圍S2軌道的數據點（左圖上方的黑叉）。

中國北師大天文系張帆教授認為，彭羅斯的奇點定理是促使黑洞成為天文觀測目標的理論奠基石。在彭羅斯之前，天文界的主流觀點其實是黑洞在宇宙裡多半不會真實存在。後來，彭羅斯用特別有新意的數學方法證明：即使對稱性被破壞，黑洞也還是會形成。這開創了所謂廣義相對論在沉寂數十年後的黃金時代，也逼迫天文界認真地把黑洞當成一個靠譜的觀測目標去尋找。超大質量黑洞的成功觀測，不僅是因為發現了一個新類型天體而意義不凡，同時也為我們提供了當代天文學的一塊基石。

北京師範大學物理學系副教授張宏寶進一步指出：廣義相對論是愛因斯坦通過思想實驗發現的，許多外行因而難免對此將信將疑，所謂眼見為實。因而在過去一百年來，廣義相對論一直不怎麼受待見。現在得益於各種天文觀測數據的積累。隨著引力波的探測、黑洞照片的拍攝，在這些證據面前，人們不得不被廣義相對論折服。

名門代出

根澤爾用30年的觀察數據和探測結果，證實了黑洞的真實存在，以前只是一個猜測：銀河系中心有一個黑洞。黑洞是很難認識到的一種存在（如無），黑洞又是吞噬一切時空的地方，任何物質靠近它就消失了（真無） 。測量黑洞的存在，可以說是「從無到無」的過程。這一發現之所以令人讚嘆，是因為它證實了愛因斯坦的廣義相對論，也因此證實了引力原理。可以說，這是在試驗物理學和天體物理學兩方面同時證實了黑洞存在和愛因斯坦的廣義相對論（1915）。在新聞發布會結束時，他謙遜地強調說：「這也算不了什麼。成功不應該導致人們現在就入睡，你必須持續努力工作。」——真是夠勵志的。

圖4 慶賀因黑洞獲得諾貝爾獎

根澤爾的父親也是馬普學會的，是固體物理研究所的創始主任，因此孩童時代就對物理學產生了濃厚的興趣。根澤爾在獲得博士學位後移居美國，先是哈佛，然後到伯克利。在那裡，他在諾貝爾物理學獎1964年得主的研究小組工作。然而最終，接受馬普學會邀請回到德國。吸引他的是「馬普學會的超自然可能性」，研究的自由氛圍以及「在這裡可以規劃20年的時間」。

根澤爾擔任馬普學會地外物理研究所所長，領導紅外和亞毫米波天文學系部門的研究工作。同時，他還是美國伯克利加州大學的教授，自1988年以來，他一直是慕尼黑大學物理系的名譽教授，在那裡他長期與同事們一起從事許多科學項目，例如開發大型天文望遠鏡儀器。

馬普學會的前世今生

馬普學會屬於大學以外的基礎研究機構，是德國基礎研究領域的領先機構之一。類似於中國科學院。

馬普學會擁有86個研究所和研究中心，致力於自然科學、社會科學和人文科學的基礎研究。與大學合作，又獨立於大學。處理的研究目標由於其跨學科性或所需的大量資源而無法由其他基礎研究機構實現。

在德國的機構研究資助的多軌系統中，馬普學會專門專注於前沿研究-主要針對創新的研究方向。研究結果服務於大眾，旨在創建卓越研究領域，為大學，學院和其他研究組織的研究提供富有成效的補充。目的是在大學和其他研究組織的研究之外，為某些研究領域的優秀研究創造優先次序，指明方向。

根據國家獲獎人數統計，至2020年美國377位，英國130位，德國109位。按照世界獲得諾貝爾獎機構排名， 39人在加利福尼亞大學工作期間獲得了諾貝爾獎，加州大學的諾貝爾獎獲得者人數最多，哈佛大學有37名獲獎者，馬普學會排名第三，共35位獲獎科學家，為德國貢獻了三分之一的諾貝爾獎，當之無愧是德國和世界的頂尖科學研究機構。

表1 馬普學會的諾獎獲得人數 （來源：馬普學會官網）

馬普學會MPG於1948年正式成立，前身是威廉皇家學會（KWG），成立於1911年，在成立儀式上由諾貝爾獎獲得者進行主旨演講「化學和生物學的最新成就和問題」，這是一個充滿意義的開端。歷經兩次世界大戰，1946年二戰後，德國分裂為東西德國，西德也被分割佔領，威廉皇家學會在當時英國佔領地，英國不同意沿用威廉皇家學會這個名稱，於是以量子物理學的共同創始人馬克斯·普朗克（Max Planck）的名字命名，並沿用了威廉皇家學會會徽精髓，馬普學會會徽也是密涅瓦。密涅瓦人是戰術戰爭，造船和智慧的羅馬女神，被尊為知識的守護者以及詩人和老師的保護者。學會是一家非營利性研究組織，其法律形式為註冊協會制，總部位於柏林，主席和總署則駐慕尼黑。

截止到今天，馬普學會（1946-2020）獲得20枚諾獎，加上其前身威廉皇家學會的15枚，馬普學會至今共有35位科學家獲得諾貝爾獎。

相對論的千裡馬與伯樂

二戰結束時，柏林威廉皇家學會研究所，開闢了一種全新的工作模式。根據巴伐利亞州，巴登-符騰堡州和黑森州之間在柏林就建立德國研究型大學達成國家協議。1947年成立了德國研究機構資金。到1953年西德威廉皇家學會其他機構都逐漸被新成立的馬普學會接管，納入馬普學會同一體系中，而馬普學會將自己視為威廉皇家學會的繼承者和繼承人，直到1960年威廉皇家學會才最終解散。

普朗克是一名成績非凡的德國物理學家，1918年諾貝爾物理學獎獲得者。他是物理學領域第一個提出量子假設的人。1900年，為了解釋黑體輻射的實驗結果與經典理論的矛盾，普朗克提出物體的能量狀態並不是連續的，而是量子化的。普朗克開創了物理學的一個新時代——量子時代。

普朗克在柏林擔任了37年的教授，帶過的二十多名博士生中，許多人後來都成為傑出的科學家，其中有三名諾貝爾獎獲得者。普朗克曾擔任普魯士科學院的「常任秘書」，並逐漸成為「當代物理學的中心人物」，對他而言，重點不僅在於其自身的研究，更重要的還在於整個物理學和科學的發展。

1905年，普朗克讀了愛因斯坦撰寫的《運動物體的電動力學》一書（該書的重要性，當時還遠不為人所知）。隨後幾年中他也致力於研究相對論。普朗克致力於提攜愛因斯坦，並確保後者的工作得到必要的重視。早在1906年3月，他就在柏林物理學會做過演講，並與愛因斯坦保持著聯繫。

普朗克自從當選普魯士學院常任秘書長之後，就試圖將愛因斯坦帶到柏林，但當時愛因斯坦卻寧願留在瑞士，並拒絕君主制。1913年初夏，普朗克專門前往蘇黎世看望愛因斯坦，並成功邀請後者在柏林大學新學院任教並擔任學術成員和教授。此時一戰爆發，在魏瑪共和國戰後時期的動蕩中，作為德國物理學最高權威的普朗克給他的同事們發出一個口號：「堅持不懈，繼續努力」（意思是要求科學家們專注於科學研究）。當愛因斯坦的相對論在1920年左右以越來越大的侵略性而被公眾抹黑並且愛因斯坦也遭到人身攻擊時（猶太人和猶太科學家遭到歧視），儘管普魯士文化部提出了建議，但普朗克拒絕了由科學院發表聲明，堅持贊成愛因斯坦，並公開發表對愛因斯坦及其理論的辯護。

二戰期間，普朗克不得不離開柏林，他柏林的房子也被炸毀。戰爭結束後，威廉皇家學會改名，正式更名為馬克斯·普朗克學會。而普朗克則被任命為名譽主席。

個人學術自由

馬普學會堅守原則，威廉皇家學會首任主席在1909年成立備忘錄中，就提出了幾項學會必須堅持的原則：「要成立的研究所從一開始就不應專門化，相反，更多的應該通過指導其學者的個性和科學過程來接受自己特定的工作方向。執行主任（所長）在作為研究人員方面應該取得巨大成功。這些研究所應為年輕學者創造儘可能多的工作職位。」哈納克認為，有了這樣的人員結構，這些研究所將能夠「應對所有新的科學問題和需求」。馬普學會至今依然堅守這些原則。這些原則是威廉皇家學會在20世紀上半葉成為世界上最成功和最受尊敬的研究組織之一的前提。

而個人學術自由的原則，成為馬普學會的第一原則。

根據這一原則，每位科學家都根據自己的學術水平決定自己的研究目標和道路，並具有不同的自由度。馬普學會採納了其前身威廉皇家學會的組織原則，並以當代方式加以實施。

☆ 從董事會及其主席到研究組組長再到博士後和博士候選人的各個級別的優秀人才的選擇；

☆ 個人學術自由的原則，根據這一原則，每位科學家都根據自己的學歷水平決定自己的研究目標和道路，並具有不同的自由度；

☆ 通過不斷的更新來保持高度的機構靈活性和創新能力，保持新興的，在科學上特別相關和有希望的研究領域。

馬普學會的這些原則基於廣泛的財務，機構和與內容相關的自主權。還體現在其作為協會的法律地位，及其學術自我管理的結構中。深遠的自治，同時要保證科學實踐符合最高道德和專業標準並符合所有相關法律法規的方式加以執行，不辜負公眾和公眾捐助者信任的唯一途徑，而這種信任是整個組織以及每位員工必須遵守的義務。

其科學吸引力是基於對研究的理解：研究所負責人和研究組帶頭人要在全球領先的研究人員中推選，被任命後，他們可以確定自己的研究主題，並可以自由選擇員工。當然，這種巨大的自由被國際獨立專家的定期評估程序系統所抵消。

馬普學會由其各自的主席代表參加所謂的科學組織聯盟，在各個聯盟中，德國研究機構的高層定期進行諮詢和意見交流。

馬普背後的德國教育

在1948年成立時，馬普學會由25個研究所和研究中心組成，預算約為700萬馬克（按今天的貨幣購買力大約為1810萬歐元）。到2017年，研究所的數量為84個研究所和機構，其中5個在國外。而在2019年馬普學會的總預算為24.98億歐元，比2017年大漲40%。可以說，馬普學會非常有錢，預算充沛。

馬普學會資金中約有95%來自公共財政撥款，由聯邦和州政府公共資金支持。其餘5%來自會員費，捐贈和學會的收入。除了常規撥款，聯邦政府和共同出資的州還可以批准所謂的特殊資金。而《研究與創新公約》則通過不斷增加預算來提供研究經費的保障。

戰略創新基金：根據「德國研究基金會國際體系評估委員會和馬普學會」的建議於2002年設立的「戰略創新基金」，為馬普學會的若干計劃提供資金。資助計劃涉及例如「密涅瓦計劃」中的婦女平等，通過「馬普公開課題研究小組」促進年輕人才，與大學合作的「馬普研究員」計劃以及「馬普」的國際合作中心」。2011年，戰略創新基金的規模為9090萬歐元。

教育、研究和創新是德國未來的主要行動領域。研究經費是聯邦教育與研究部（BMBF）的主要優先事項之一。德國科學教育部為各種機構提供資金，通過單獨與聯邦州或其他合作夥伴一起支持的研究機構和資助組織。德國聯邦教育部2025規劃，國家財政提供的研究經費至2005年提高到國內生產總值的3.5%。這一目標有望提前實現，2020年上半年統計已經達到3%的水平。採用相關科學自主權來確定對有前途的基礎研究領域投入研究資金，招募世界上最好的科學家，並在許多研究領域中發揮領導作用。

德國的特點是研究領域多樣。研究是在非大學機構、大學、聯邦機構（部門研究）和私人組織進行。聯邦科教部為各種設施和資金機構提供永久性資金保障，也為一定時期內的項目提供資金支持。這些永久性的機構資金，部分來源於聯邦資金，部分來源於各州政府，或其他合作夥伴共同資助。

多元化交叉，則是德國研究機構的一個重要特點。馬普學會的生物醫學科學部門，由27個馬普研究所和7個研究機構組成，這些機構反映了生命科學的「全貌」。儘管存在這種多樣性，但涉及12個研究所的神經生物學仍是「總體研究重點」。如化學-物理-技術部門由32個馬普研究所組成，其工作可以分為「三個廣泛的領域」：物質、複雜相互作用和新型光科學。

國際化招攬人才

馬普學會的國際化程度非常高，也獲得了全世界的認可。2006年，非大學研究機構在《泰晤士報高等教育增刊》排名中將其評為全球最佳非大學研究機構。根據同一學術同行的評論，它在全球技術研究中排名第三，僅次於AT＆T和Argonne國家實驗室。

雖然歷史上的成就輝煌，但面對日益激烈的全球競爭，特別是前沿研究領域的結構必須考慮國際化和全球發展。國際化必須在內部和外部同時推進。因為全世界90%以上的知識都來自德國以外。因此，這不僅涉及將人才帶入自己的國家，還涉及參與跨境創新網絡和交流。在全球競爭中，將根據可能做出的最大貢獻的標準選擇合作夥伴。在科學合作夥伴的選擇方面，他們的效率和聲譽起著決定性的作用。馬克斯·普朗克研究所是最受歡迎的合作夥伴，其研究人員參與了120個國家/地區的5000多個前沿和基礎研究項目。馬普學會的所有出版物中，幾乎有三分之二是國際合作的成果。

53.9%的科學家是外國國籍-比例很高，這主要是由於國際馬克斯·普朗克研究學院的計劃有意從很大程度上吸引許多國際博士生和科學家，開展廣泛的國際交流與合作，截至2019年12月31日，海外員工總配額為32.8%（2019年統計）。馬普學會工作及其合作很多是跨學科的基礎和前沿研究，國際合作廣泛而深入。

馬普學會和中國科學院早在1974年，就開始建立合作機制。1978年，中科院與馬普學會籤署了合作協議，確定雙方在更廣泛的科技領域和更大規模上進行深入的合作。中國科學院-馬普學會計算生物學夥伴研究所成立於2005年10月，是雙方合作共建、聯合資助、共同管理的一個國際化研究機構。這也是馬普學會在德國境外建立的首家合作研究機構，是中國一個獨具特色的嶄新研究所類型。2016年12月中科院—馬普學會再生生物醫學聯合研究中心在廣州成立。在去年10月，雙方「低頻引力波天文學和空間引力物理」聯合研究項目年度學術研討會，也在德國波恩舉行。雙方的互動交流合作還是比較廣泛。

馬普超過一半人來自其他國家。由於後繼研究人才缺乏，必須從全世界招人，才能保證科研力量。例如柏林獲得化學獎的那位女科學家也是法國人，做出突破性研究的時候，當時並不在德國。德國科研已經意識到，只有通過國際化，而不是只吃老本，才能在未來科學勝出。

小記：何以反覆「諾」

馬普學會是一個令研究人員嚮往的地方：充足的研究經費，寬鬆的研究環境和氛圍，頂尖的國際研究人員，研究項目自主選擇的自由，以及廣泛的國際合作機制，這些都讓那些執著而痴迷的科學探索者，獲得了個人創造力的最大釋放。

作 者

倪道鈞：中德工業技術有限公司，佛勞恩霍夫製造技術和自動化研究所IPA、無損檢測研究所IZFP合作夥伴，微信號為daojun988

林雪萍：北京聯訊動力諮詢公司總經理，天津大學兼職教授

鳴謝崇德投資王煒先生給與的支持

更多精彩原創內容，請關注微信公眾號「知識自動化」