西安夜生活_诺贝尔物理学奖颁给黑洞,或许是因为错过了霍金

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),采访编辑:吴欧、麦麦、刘可、光光,题图来自:诺贝尔奖官网

2020年诺贝尔物理学奖颁给了罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),因他发现黑洞形成是广义相对论的一个预言;莱因哈特·根策尔(Reinhard Genzel),安德烈娅·盖兹(Andrea Ghez),因他们发现银河系中心的超大质量致密天体。

为什么今年的诺奖再次颁给了天文宇宙学方向?黑洞的研究居然时至今日才拿奖?针对今天的诺奖结果,我们联系了与几位科学家,听一听他们对诺奖的看法。

张双南: 黑洞研究者们已经等待太久了 

中国科学院高能物理研究所研究员,粒子天体物理中心主任,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任

黑洞研究获得诺奖一直是众望所归的,黑洞研究者们已经等待太久了。

当然,因为天体物理领域近年来获得的诺贝尔物理奖实在是太多了,今年又授予了这一领域,所以我还是挺意外的;而且很多人也认为,黑洞的诺奖很可能会给最早的黑洞发现者,获奖的两位观测天文学家很显然不是。不过这三位获奖也是实至名归——对于黑洞的存在,他们分别贡献了无可争议的理论预言和无可置疑的观测证据,在当世科学家中的确最为突出。祝贺他们!

黑洞是广义相对论最重要和最早的预言,是天体物理领域最重要的观测结果之一,也是宇宙中最令人着迷的天体。黑洞存在的证据其实非常多,至少半个世纪以来不断有各种重要的天文发现支持黑洞的存在。

但如果要挑出一件工作作为最确凿的单项证据,那就是他们的工作。他们从上世纪90年代开始,一口气做了20多年,几十年磨一剑!他们的工作也是被引用最多的用以说明黑洞存在的证据,我在几乎每一个讲黑洞的科普报告都会提及。

另外,近年来黑洞和天体物理成为诺奖热门,可能很大程度上也反应了社会的关注度越来越大,这可能也是诺奖的考量因素之一,毕竟科学对人类的贡献除了技术进步之外,对自然和宇宙的认识可能更重要,而这也构成了人类文明的重要组成部分,这正是天文学和天体物理的研究成果得到了广泛的社会关注度的重要原因之一。

张帆:这两个研究比其他诺奖级别更高 

北师大天文系副教授

2017年、2019年的获奖研究都是引力领域的;今年又给了引力领域,稍稍有点惊喜,但也算不上特别意外。对于今年可能是什么研究得奖,貌似大家都完全没有头绪,没有预期也就没有超预期。

2017年的诺贝尔物理学奖颁给了雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩,他们因为LIGO项目和发现引力波获奖 | nobelprize.org

近期的重大突破好像这两年都给完了,感觉上,今年诺奖有点想要填补以前漏掉的重大发现。黑洞研究的这一个理论和一个观测,确实是属于特别重要又被遗漏的;而且彭罗斯年事又高,趁机尽快颁奖,我觉得是挺好的。

我个人觉得,这两个研究比普通诺奖级别要高一点。

彭罗斯的奇点定理是促使黑洞成为天文观测目标的理论奠基石。在他的工作之前,虽然已经存在广义相对论的黑洞解,但都是特别对称的解——这是因为,对称性能减少独立偏微分的数目,从而简化方程,使得解析解成为可能。

但大家并不知道,这种解的存在本身是否极端依赖对称性;换言之,在宇宙真实的环境中,对称性并不可能那么完美,那么这种黑洞解是不是就不会真正实现?我们得到的由天体坍缩所形成的,是不是会是其它更普通的东西?

在彭罗斯之前,天文界的主流观点其实是黑洞在宇宙里多半不会真实存在(感兴趣的读者,可以看看钱德拉塞卡和爱丁顿的故事)。后来,彭罗斯用特别有新意的数学方法证明:即使对称性被破坏,黑洞也还是会形成。这开创了所谓广义相对论在沉寂数十年后的黄金时代,也逼迫天文界认真地把黑洞当成一个靠谱的观测目标去寻找。

罗杰.彭罗斯 | AGILE RABBIT

寻找到的一个特别重要的结果,就是本次另两个获奖者所观测到的超大质量黑洞。它们是驱动类星体等等诸多重要天体的引擎,而这些天体又成为了观测宇宙学和高能天体物理的核心手段或研究对象。它们与宿主星系之间也有着神秘的关系,可能在星系形成过程中起到关键作用,也与暗物质的特性息息相关。

超大质量黑洞的相关研究数量众多,而且涉及的都是前沿,我无法一一列举,更没法在这里深入介绍各种对立观点。但这困难本身也说明,超大质量黑洞的成功观测,不仅是因为发现了一个新类型天体而意义不凡,同时也为我们提供了当代天文学的一块基石。

张宏宝:彭罗斯拿奖,可能是对霍金没拿的补偿 

北京师范大学物理学系副教授

今天的结果有点意外。爱因斯坦也没有因为广义相对论这个理论拿诺贝尔奖,之前很多同行的预测也主要是在量子物理领域。

在我看来,彭罗斯有两个重要的贡献:一是把整体微分几何引入广义相对论,重塑了广义相对论的语言表达(北师大引力中心梁灿彬与周彬所著的《微分几何与广义相对论入门》为这一现代语言在中国的传播与普及作出了历史性贡献),并证明了奇点定理,给出了很多与奇点以及黑洞相关的猜想,如宇宙监督假设、彭罗斯不等式,这些一直到现在都是经典广义相对论重要的研究课题。

奇点定理也意味着广义相对论不是一个完备的引力理论,这使得大家今天努力在追寻量子引力理论,而彭罗斯的纽量理论则是其中的一个独立特性的候选者。此外,彭罗斯也是一个杰出的科普作家,写过《皇帝新脑》《通往现实之路》等杰作。

彭罗斯的书《皇帝新脑》

彭罗斯拿奖虽然意外,但名至实归,这可能也是对霍金没拿诺奖的一个补偿吧。

我最近做的研究直接与彭罗斯的宇宙监督假设相关。今年我申请的国家自然科学基金研究课题《弱宇宙监督与强宇宙监督新探》得到同行的认可,进而得到了资助。引力物理毫无疑问是20世纪被冷落、但21世纪该得到越来越多重视的方向,希望这次诺奖能够使得国内相关机构加大对引力理论与观测方面的资助。

引力物理从过去的隐学正在变为未来的显学,这是基础物理在未来有重大突破,甚至发生革命的地方。我想这大约得益于各种天文观测数据的积累。广义相对论是爱因斯坦通过思想实验发现的,许多外行因而难免对此将信将疑,所谓眼见为实。因而在过去一百年来,广义相对论一直不怎么受待见。

但随着引力波的探测、黑洞照片的拍摄,在这些证据面前,人们不️得不被广义相对论折服,因而大胆地开始给广义相对论这个理论本身发展作贡献的彭罗斯发奖了。

尹璋琦 :没有同一个领域连续获奖两次 

北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授

很意外,因为去年诺贝尔奖刚刚给了宇宙学。过去二十年,诺贝尔奖基本上是四个不同领域轮流拿(编者注:诺贝尔物理学奖主要集中四个领域——粒子物理、天体物理、凝聚态物理、原子分子及光物理),没有出现同一个领域连续拿两次的。

彭罗斯与霍金在黑洞理论上的工作,早就被认为是可以拿诺贝尔奖的成果。不过,直到LIGO发现引力波,以及天文学家观察到了银行中的黑洞,他们的理论才得到了直接验证。

(果壳:大家都在惋惜霍金。)是啊是啊。LIGO发现黑洞碰撞的引力波后,他们就迟早要获奖了。

西安夜生活_25岁与96岁,历史上的那些诺贝尔物理学奖得主

诺贝尔物理学奖委员会主席David Haviland表示。这是百余年来,诺贝尔物理学奖史上第4位女性获奖者。诺贝尔物理学奖近五年得主2019年,诺贝尔物理学奖授予James Peebles,Michel Mayor和 Didier Queloz,以表彰在宇宙认知的颠覆性贡献。“数读”诺贝尔物理学奖一共颁过112次:1901年以来,诺贝尔物理学奖共颁发过113次。在两次世界大战期间,诺贝尔奖较少颁出。共有210人获奖:1901-2016年,共210人次获得了诺贝尔物理学奖。

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(果壳:那今年发给彭罗斯,和霍金去世了有关吗?会不会考虑到再不发就坚持不了……)不知道啊!我觉得有可能……

彭罗斯写的科普书很多,影响力也很大,比如说《皇帝新脑》《时空本性》。他的脑洞特别大,例如这个——

图片来源丨尹璋琦

施郁:诺奖风格发生变化,给更多理论学者 

复旦大学物理学系教授

我对今年的结果感到十分意外,一是今年再次颁给了天体物理相关的方向,打破了相邻年份不颁给同一个领域的现象,更是因为感觉到诺奖的风格发生了变化:开始将获奖机会给到更多的理论学者,同时表明黑洞正式得到诺奖的承认。

彭罗斯获奖是因为证明了一个定理,而不是一个具体的问题,按照诺奖的传统,很难获奖,反而更适合“科学突破奖”。史瓦西在广义相对论刚发表就提出了黑洞,彭罗斯则发现黑洞形成是广义相对论在很宽泛条件下的必然。虽然这是很杰出的成就,但是得到诺奖还是令人惊讶。

另一半奖项是关于超大质量黑洞,这是近年来天文学与天体物理的重要成就,也与EHT的黑洞照片有关(那是位于M87星系中心的黑洞),这也是偏向于观测方面。这刚好也是EHT下一个观测目标——银河系中心人马座A*。 

第一张黑洞照片,M87黑洞丨EHT

李淼 :天体物理和宇宙学,将是物理学最活跃的领域之一 

南方科技大学物理系教授

今年物理学奖颁给和黑洞、天体物理相关的工作,我觉得一点都不奇怪。

一方面,这说明在过去几十年和未来数十年,天体物理和宇宙学将会是物理学最活跃的领域之一——如果不是唯一的话。另外一方面,也说明过去几十年,除了已经颁发的物理学奖,其他的物理学成就,相对来说级别可能稍微轻一点,所以今天会把诺奖颁给这两项研究。

同样地,今年的获奖研究也非常重要。

彭罗斯在上世纪60年代,用纯数学的角度来研究天体物理;后来和霍金一起证明,在一般的物理条件之下,黑洞也是存在的。也就是说,不管情况如何,最终都会出现一个不可避免的数学的奇点,这个起点就是黑洞的形成。

而在起点之外,一定会有一个所谓的“视界”。在这个视界之内,所有物质(包括光)如何出去,这就是著名的“黑洞的起源”。在彭罗斯和霍金之前,物理学家已经知道,只要有足够重的天体,就会无可避免地形成这种黑洞;而他们则用更加一般的数学物理方式,证明了这是不可避免会发生的。

根策尔和盖兹的团队从90年代开始就一直研究宇宙中的黑洞。他们用天体物理学的方法——也就是用光学望远镜,发现在很小的区域里面,有些恒星的质量超大,达到了数百万倍的太阳质量。后来比较确定的是,肯定是超过了400万倍的太阳重量。

图丨Pixabay

他们俩人的工作,跟彭罗斯的工作没有关系;但从物理的脉络来讲,又有关系。彭罗斯证明了一般性的黑洞;而根策尔和盖兹,则在宇宙中真正地看到了确凿无疑存在着的天体级别的黑洞。尽管在此之前,物理学家已经看到了很多其他黑洞,但是证据都不如根策尔他们所发现的这个400万倍太阳质量的黑洞这么证据充分。

苟利军:有点意外,但又意料之中

中科院国家天文台研究员、中国科学院大学教授

再次颁发给天文是有点意外,但是颁发给这几位获奖者又是意料之中。

具体来说,颁给罗杰·彭罗斯让我有一点意外;但另两位科学家莱因哈特·根策尔和安德烈娅·盖兹在黑洞研究方面,的确是有开创性突破的。根策尔证明了在银河系当中是存在超大质量黑洞的,两位精确测量了银河中心黑洞的质量,在黑洞方面的成果已经是领域内所公认的。而且,根策尔还在2008年获得了邵逸夫奖。

根策尔获得2008年邵逸夫天文学奖 | The Shawprize

黑洞方面的研究有很多,其中之一是寻找中等质量的黑洞,比如前一段时间发现的142倍太阳质量的中等质量黑洞。尽管我们听说黑洞很久了,但直到去年,我们才终于看到了黑洞的照片。其实当时观测了两个天体,一个是M87星系中央的黑洞,另一个是银河系中心的黑洞。很遗憾的是,到目前为止,银河系中心的黑洞照片还没有发布,这足以表明这个过程的难度有多高。

诺奖不仅有观测方面,也有理论方面,例如去年就颁发给了在物理宇宙学的理论发现贡献者。黑洞一直是大众关心的,例如银河系中央的照片,一旦发布又会成为一次热点;另外,黑洞周围的暗流是怎么产生的?这都有待进一步探索。

2019年的诺贝尔物理学奖,授予了发现宇宙演化过程诸多理论的詹姆斯·皮布尔斯(左)以及发现系外行星的米歇尔·马约尔(中)和迪迪埃·奎洛兹(右)| nobelprize.org

蔡一夫:霍金真的是愿赌服输,最后输给了时间

中国科学技术大学天文系教授

我感到很意外,去年就是天文宇宙学,所以我今年压根都没有关注,毕竟哪会想到来个两连击。但从某种意义上说,黑洞相关工作的重要性已经不需要诺奖来证明了……毕竟爱因斯坦拿诺奖也不是靠他的相对论。

从1916年左右开始,黑洞的理论和观测进入到科学视野。那时候是史瓦西通过求解爱因斯坦刚刚新鲜出炉的广义相对论,才得到现代科学所认知的第一个黑洞解。

但在这之后,包括爱因斯坦、爱丁顿等一大波引力大师们都曾认为,黑洞只不过是物理理论碰巧在数学求解时偶尔得到的玩具,并非真实存在。在这之后,一直到上世纪六十年代,才有了第一个黑洞的间接观测——天鹅座X1,这曾经引发霍金和索恩之间的性情豪赌。

霍金 | Physics World

所以,黑洞的理论和观测,其科学意义早就超越了一两个诺奖本身,而是在现代科学研究中占据了核心地位。彭罗斯也是这一阶段中的黑洞研究引领者,是他所提出的奇点定理将霍金在博士期间引入到了当时宇宙学研究中最前沿的领域。只不过彭罗斯是个很严肃认真的科研者,不爱参与赌博。

看到这个消息的第一时间,我的感慨是霍金真的是愿赌服输……最后输给了时间。

对于另外两位观测学家, 我个人觉得其所做工作并非最早、最原创的,但作出的工作肯定是最重要的——他们是对银河系中心黑洞进行观测。这与近些年EHT给黑洞拍照的最新进展,也有着很大的关联。

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