今天繼續(xù)來給大家講 2020 年的諾貝爾獎(jiǎng)，今年各種意外很多，就連諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也不例外。今年的物理學(xué)獎(jiǎng)的獎(jiǎng)金大約相當(dāng)于 760 萬人民幣，其中一半發(fā)給了英國科學(xué)家彭羅斯，理由是他計(jì)算出黑洞的形成是廣義相對(duì)論的預(yù)言；另外一半獎(jiǎng)金由德國人賴因哈德 ·根澤爾和美國人安德里亞· 蓋茲二人平分，表彰他們在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量的緊湊型物體。
從左到右：彭羅斯、根澤爾、蓋茲
“發(fā)現(xiàn)了一個(gè)超大質(zhì)量的緊湊型物體”這句話說得很嚴(yán)謹(jǐn)，如果是我們做科普的話，一般都會(huì)直接說發(fā)現(xiàn)了銀河系中心黑洞。
說實(shí)話，這次頒獎(jiǎng)讓業(yè)內(nèi)人士也是頗感意外。其實(shí)，我看到羅杰·彭羅斯這個(gè)名字的時(shí)候，確實(shí)也有點(diǎn)兒興奮，終于又在諾獎(jiǎng)名單上看到熟人了。我在以前的節(jié)目中沒少提到他，他是科普節(jié)目的?？停艚鹪跁餂]少提到過他，他寫的最出名的書是《皇帝新腦》和《通向?qū)嵲谥贰罚部梢运闶且晃豢破兆骷?。彭羅斯原本是個(gè)數(shù)學(xué)家，后來轉(zhuǎn)向物理方面，他最大的貢獻(xiàn)就是與霍金合作，計(jì)算出奇點(diǎn)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(xiàn)到底是咋回事。我們都知道，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論。按照廣義相對(duì)論，引力就是時(shí)空的彎曲。在廣義相對(duì)論發(fā)表沒多久，德國科學(xué)家史瓦西在參軍當(dāng)炮兵上尉期間，計(jì)算出了愛因斯坦場方程的一個(gè)特殊的解，這個(gè)解存在一個(gè)無法消除的奇點(diǎn)，奇點(diǎn)外面有一層視界面，這就是最經(jīng)典的史瓦西黑洞。
不過，當(dāng)時(shí)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(shù)學(xué)游戲。按照早期科學(xué)家們的認(rèn)知，恒星想要塌縮成黑洞需要的條件極為苛刻，有點(diǎn)像引爆原子彈那樣，所有物質(zhì)必須要同一時(shí)間內(nèi)均勻壓縮到一個(gè)極小的范圍內(nèi)，想要讓這種步調(diào)完全一致，這就要求恒星必須具備極其完美的對(duì)稱性，但是在自然中，其實(shí)并不存在完美對(duì)稱的天體。
但是，彭羅斯和霍金用數(shù)學(xué)改變了早期科學(xué)家們的觀念，他們給出了一個(gè)嚴(yán)格的計(jì)算過程，他們一起用數(shù)學(xué)證明，即便是在寬泛的條件下，大質(zhì)量恒星不需要完美對(duì)稱，我們能觀測到的大質(zhì)量恒星，基本都滿足條件，在塌縮的過程中，不對(duì)稱性會(huì)消除，最終必定會(huì)塌縮成一個(gè)奇點(diǎn)。這個(gè)證明，在學(xué)術(shù)界被稱為“奇點(diǎn)定理”。
不過說實(shí)話，他們的計(jì)算過程據(jù)說非常的復(fù)雜難懂，我是沒有勇氣去看那些數(shù)學(xué)證明的，每次仰望數(shù)學(xué)大神，我都會(huì)覺得自己跟傻子一樣。奇點(diǎn)是數(shù)學(xué)中的一個(gè)概念，黑洞離不開它，同樣，宇宙大爆炸也離不開奇點(diǎn)這個(gè)概念。所以，這個(gè)理論的現(xiàn)實(shí)意義非常明顯，起碼來講，這說明我們這個(gè)宇宙的的確確存在形成黑洞的客觀條件的。
當(dāng)然，彭羅斯和霍金他們對(duì)奇點(diǎn)定理的研究是一個(gè)純理論計(jì)算，按照諾獎(jiǎng)多年積累的習(xí)慣，諾獎(jiǎng)很少頒發(fā)給純理論貢獻(xiàn)。愛因斯坦當(dāng)年獲得物理學(xué)獎(jiǎng)也不是因?yàn)橄鄬?duì)論，而是因?yàn)楣怆娦?yīng)。諾獎(jiǎng)委員會(huì)的謹(jǐn)慎是可以理解的，盡管在當(dāng)時(shí)愛丁頓已經(jīng)通過對(duì)日食的觀測，拿到了支持廣義相對(duì)論的有力證據(jù)，盡管廣義相對(duì)論計(jì)算水星進(jìn)動(dòng)和觀測值非常符合，但是負(fù)責(zé)評(píng)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，那該怎么辦呢？諾獎(jiǎng)可沒有辦法 ctrl+z 啊。所以，諾獎(jiǎng)委員會(huì)的心態(tài)就是讓子彈飛一會(huì)兒，沉住氣，讓時(shí)間檢驗(yàn)一切。
所以，這次彭羅斯獲獎(jiǎng)，稍稍帶給大家一點(diǎn)不一樣的感覺，難道以后的風(fēng)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(dòng)了某些人？
還是前一陣子黑洞照片的問世已經(jīng)讓評(píng)委們信心十足了？這些恐怕就要等到 50 年后諾獎(jiǎng)檔案解密，才能知道真相了。不過我覺得科學(xué)界的很多大佬，一定要保重身體啊，諾獎(jiǎng)很可能在等著你們！楊振寧先生的規(guī)范場理論完全值得再拿一個(gè)諾獎(jiǎng)。
說完了彭羅斯，我們?cè)賮碇v另外兩位獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>
大家知道，黑洞完全不發(fā)光，即便是存在霍金輻射，但是太微弱，以現(xiàn)在的技術(shù)能力是根本檢測不到的。從這個(gè)意義上講，我們其實(shí)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(xiàn)象來證實(shí)黑洞的存在。
而歷史上第一份最強(qiáng)有力的證據(jù)就是本次諾獎(jiǎng)得主根澤爾和蓋茲發(fā)現(xiàn)的。這兩位科學(xué)家的主攻方向是天文觀測。他們各自帶領(lǐng)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了不同尋常的現(xiàn)象。
很早的時(shí)候，天文學(xué)家們就注意到銀河系中心會(huì)發(fā)出比較強(qiáng)的無線電波。這個(gè)射電源就被稱為A*，這么看來，銀河系的中心應(yīng)該隱藏著某種秘密。要觀察銀心，地球的位置其實(shí)很不利，因?yàn)槲覀円┻^銀河系的半個(gè)盤子才能看到核心，一路上的氣體塵埃都是觀察的障礙。那么該怎么辦呢？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么明顯了。
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(xué)方面有很大的貢獻(xiàn)。他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)觀察到有一些恒星在繞著銀河中心很小的一塊區(qū)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(jù)周圍恒星的繞行軌跡，可以計(jì)算中心天體的質(zhì)量，一算之下，嚇一跳，銀心的那個(gè)看不見的天體竟然達(dá)到了驚人的 410 萬倍太陽質(zhì)量。這么巨大的質(zhì)量，在望遠(yuǎn)鏡里卻什么看不見，那這能是什么東西呢？
另一位獲獎(jiǎng)的蓋茲是一位女天文學(xué)家，她也是第 4 個(gè)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。她在紅外線天文觀測以及自適應(yīng)光學(xué)方面都有貢獻(xiàn)。在根澤爾的基礎(chǔ)之上，她把觀察精度大大推進(jìn)了一步。因?yàn)樗修k法抵消地球大氣層對(duì)觀察的干擾。蓋茲可以調(diào)動(dòng)凱克天文臺(tái)的兩臺(tái)口徑 10 米的大望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河中心進(jìn)行聯(lián)合觀測，凱克望遠(yuǎn)鏡是具有自適應(yīng)光學(xué)功能的，專門用于抵消大氣造成的扭曲和畸變。
她經(jīng)過多年的數(shù)據(jù)積累，再根據(jù)周圍的恒星軌道對(duì)這個(gè)天體尺寸進(jìn)行估算，她的結(jié)論是，這個(gè)天體的平面大小，大約相當(dāng)于天王星繞著太陽畫出的那個(gè)圓的大小。這個(gè)大小聽上去很大，可是相對(duì)于它的質(zhì)量來說，其實(shí)是很小的，不是黑洞又是什么呢？
不過，且慢，按照諾獎(jiǎng)委員會(huì)的頒獎(jiǎng)詞，授獎(jiǎng)原因是因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了銀河系中心的“超大質(zhì)量的緊湊物體”，沒說是黑洞。這有些奇怪啊，為什么前面提到彭羅斯的貢獻(xiàn)，大大方方地講黑洞，怎么后邊就不肯提了，換了個(gè)“超大質(zhì)量的緊湊物體”這種非常冗長嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法，為什么呢？
我想啊，是因?yàn)槔碚撐锢韺W(xué)家和搞實(shí)際觀測的科學(xué)家是兩個(gè)不同的專業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。對(duì)彭羅斯來說，黑洞不過是愛因斯坦場方程的一個(gè)特殊的解，是個(gè)理論上的假說。黑洞的概念非常清晰明了，只要用質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量這三個(gè)基本參數(shù)就能描述了。但是，搞觀測的天文學(xué)家們到底看到了什么？準(zhǔn)確地說，他們觀察到了一個(gè)這樣的東西：它對(duì)周圍的天體有強(qiáng)大的引力，而且自身體積相對(duì)龐大的質(zhì)量來說非常小，這個(gè)天體烏漆麻黑，不發(fā)光也不反光。
按理說，我們實(shí)在是想不到還有什么樣的物理過程可以在如此高的密度之下強(qiáng)撐著不塌縮成黑洞。這種天體只可能是理論物理學(xué)家描述的那個(gè)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(jīng)常有人說科學(xué)很傲慢，但是，你看，諾獎(jiǎng)委員會(huì)的那些老頭可謹(jǐn)慎了，一點(diǎn)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(shí)，從邏輯上講，我們并沒有可能 100% 地去證實(shí)任何一個(gè)物理理論，只有證偽一個(gè)理論在邏輯上可以做到。
名偵探柯南的那句臺(tái)詞是：“真相永遠(yuǎn)只有一個(gè)”。但是在科學(xué)上，這句話可能需要改為“真相后面或許還有真相”。
所以，大家要理解一下諾獎(jiǎng)委員會(huì)老頭子們的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。
這次諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給這 3 個(gè)人的理由是什么呢？要知道，最近這幾年，天文領(lǐng)域頒獎(jiǎng)的比例很高，而研究粒子物理的科學(xué)家們眼巴巴的就是很難輪上。我想，或許有一個(gè)很大的原因是我們?cè)?2019 年拍到了 M87 星系中心的那顆超大質(zhì)量黑洞的照片。這就好像我們雖然看不見氣球里的空氣，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(shí)有個(gè)洞，也算是實(shí)錘證據(jù)吧。
但評(píng)審委員們還是非常非常的嚴(yán)謹(jǐn)，這頒獎(jiǎng)詞也是盡量寫得滴水不漏。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(diǎn)，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是個(gè)徹頭徹尾的“黑洞獎(jiǎng)”。做理論研究的彭羅斯能獲獎(jiǎng)，觀測到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的根澤爾和蓋茲也能獲獎(jiǎng)。那么接下去是不是直接拍攝黑洞照片的科學(xué)家們也能獲獎(jiǎng)呢？我覺得可能性不大，因?yàn)橐淮沃Z獎(jiǎng)得主不能超過 3 個(gè)人，那張照片是幾百人大團(tuán)隊(duì)的通力合作的結(jié)果。
圖：部分參與“拍攝”第一張黑洞照的團(tuán)隊(duì)成員
好，這就是今年物理學(xué)獎(jiǎng)的解讀。今天的結(jié)尾感慨就一句話：
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