瑞典當(dāng)?shù)貢r(shí)間10月6日中午，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布將2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯（Roger Penrose），表彰他對(duì)“發(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對(duì)論的堅(jiān)實(shí)預(yù)測”，以及根澤爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們“發(fā)現(xiàn)銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)量致密天體”。

對(duì)發(fā)現(xiàn)黑洞作出理論研究的彭羅斯，他作為一個(gè)數(shù)學(xué)家，到底有何獨(dú)特貢獻(xiàn)？而如果霍金在世，會(huì)獲得 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)嗎？著名科普作家盧昌海博士給出了他的簡要回答。

問：關(guān)于彭羅斯的獲獎(jiǎng)原因，諾貝爾委員會(huì)給出的是“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是廣義相對(duì)論的堅(jiān)實(shí)預(yù)言”（“for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity”），諾獎(jiǎng)委員會(huì)發(fā)布的科普材料里還提到了奇點(diǎn)定理，您能簡單科普一下這項(xiàng)成果的內(nèi)容和意義嗎？

盧昌海：1916年1月，距愛因斯坦（Albert Einstein）發(fā)表廣義相對(duì)論場方程不到兩個(gè)月，德國物理學(xué)家施瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了場方程的一個(gè)嚴(yán)格解。黑洞作為廣義相對(duì)論的預(yù)言，若干主要特征（比如它的視界及所包含的奇點(diǎn)）在這個(gè)解中就已經(jīng)體現(xiàn)出了——雖然物理學(xué)家們用了很多年的時(shí)間來挖掘和理解那些特征。1939年，美國物理學(xué)家奧本海默（J. Robert Oppenheimer）和學(xué)生辛德（Hartland Snyder）對(duì)恒星坍塌為黑洞的過程進(jìn)行了研究。這些都在一定程度上支持了廣義相對(duì)論對(duì)黑洞的預(yù)言。但這些研究都假定了嚴(yán)格的球?qū)ΨQ性，而現(xiàn)實(shí)世界里的恒星雖接近球形，卻不可能是嚴(yán)格球?qū)ΨQ的。因此，這些研究作為對(duì)黑洞的預(yù)言都不夠堅(jiān)實(shí)。對(duì)恒星能否坍塌為黑洞，甚至黑洞能否存在，當(dāng)時(shí)仍有大量懷疑——懷疑者中包括了愛因斯坦本人。

彭羅斯對(duì)黑洞研究的重要貢獻(xiàn)是，他采用了在當(dāng)時(shí)的廣義相對(duì)論研究中還很新穎的幾何與拓?fù)浞椒?，在不依賴?duì)稱性的很普遍的條件下，證明了作為黑洞核心組成部分的奇點(diǎn)的出現(xiàn)是廣義相對(duì)論的必然推論。他的這類研究最早的一項(xiàng)完成于1965年，但那項(xiàng)研究仍假定了一個(gè)物理上無法確立甚至有可能不成立的條件，從而并不能完全打消對(duì)黑洞的懷疑——或者說仍不夠“堅(jiān)實(shí)”。1970年，彭羅斯與霍金（Stephen Hawking）合作，去掉了那個(gè)條件，得到了一個(gè)更普遍的定理——即“霍金-彭羅斯奇點(diǎn)定理”。這個(gè)定理的所有條件都很現(xiàn)實(shí)，比如可在大質(zhì)量恒星的坍塌過程中得到滿足，因此它的結(jié)論，即奇點(diǎn)的出現(xiàn)是廣義相對(duì)論的必然推論，也就非常堅(jiān)實(shí)。諾貝爾委員會(huì)所說的“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是廣義相對(duì)論的堅(jiān)實(shí)預(yù)言”指的就是這個(gè)——重點(diǎn)在“堅(jiān)實(shí)”二字上。

問：作為一名數(shù)學(xué)物理學(xué)家，彭羅斯以純理論的成果獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，在近年是非常少見的，對(duì)此您怎么評(píng)價(jià)呢？

盧昌海：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)通常頒給重大的觀測、實(shí)驗(yàn)或與這兩者關(guān)系密切（比如對(duì)之作出解釋）的理論研究。純理論的研究也并非不能獲獎(jiǎng)，但通常要等到其預(yù)言被觀測和實(shí)驗(yàn)所證實(shí)——即不再是“純理論”——的那一天（這有時(shí)得等幾十年，甚至研究者至死也沒等到也屢見不鮮）。不過，彭羅斯的研究跟以往獲獎(jiǎng)的純理論研究有些不同，它本身并不預(yù)言任何東西，而只是替廣義相對(duì)論作出了一個(gè)“堅(jiān)實(shí)預(yù)言”——那預(yù)言無論被推翻還是證實(shí)，影響的都是廣義相對(duì)論而不是彭羅斯的研究，后者的正確性只取決于它的數(shù)學(xué)推理的正確性。從這個(gè)意義上講，彭羅斯的獲獎(jiǎng)成果更接近數(shù)學(xué)定理——只不過是以廣義相對(duì)論為框架的數(shù)學(xué)定理。但是，這樣的數(shù)學(xué)定理對(duì)于揭示廣義相對(duì)論的性質(zhì)有非常重要的價(jià)值，從這個(gè)角度講，它的性質(zhì)雖是數(shù)學(xué)，領(lǐng)域卻是物理，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)雖然少見，卻并不“僭越”。

問：您在微博上說：“從某種意義上講，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也許會(huì)成為一種尷尬。因?yàn)槲磥砣藗兲崞鸾衲甑闹Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，最容易想到的就是霍金?；艚鸬木薮舐曂倘挥泻艽蟊壤齺碜运纳眢w條件，但他在黑洞研究上的實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)也并不亞于——甚至可以說是高于——彭羅斯?；艚鸬牟猾@獎(jiǎng)原本是說得通的，因?yàn)樗难芯渴羌兝碚摰?，雖然黑洞本身的觀測證據(jù)已經(jīng)很強(qiáng)，直接驗(yàn)證他的理論卻依然近乎不可能，從而不獲獎(jiǎng)也說得通。但彭羅斯的黑洞研究是同樣類型的，他的獲獎(jiǎng)直接推翻了霍金不獲獎(jiǎng)的理由，且這種推翻并不是基于霍金去世之后才出現(xiàn)的新論據(jù)，從而使霍金的不獲獎(jiǎng)成為了諾貝爾獎(jiǎng)的一次無可推脫的缺漏，而且特別引人注目?！睂?duì)此，您能簡單展開描述一下嗎？另外，霍金如果在世，能否獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)？

盧昌海：彭羅斯的名字經(jīng)常和霍金的名字連在一起，這不是偶然的。這兩人合寫過論文也合著過書，前面提到的“霍金-彭羅斯奇點(diǎn)定理”就是一個(gè)例子。諾貝爾委員會(huì)在獲獎(jiǎng)成果介紹中對(duì)彭羅斯1965年的研究著墨較多——也許因?yàn)槟鞘桥砹_斯一個(gè)人的成果。但如前所述，那項(xiàng)研究其實(shí)不夠“堅(jiān)實(shí)”。與彭羅斯基本同時(shí)，霍金當(dāng)時(shí)也在研究奇點(diǎn)（只不過彭羅斯的研究偏于黑洞奇點(diǎn)，霍金的研究則偏于宇宙學(xué)奇點(diǎn)），兩人1970年合作得到的“霍金-彭羅斯奇點(diǎn)定理”才足夠“堅(jiān)實(shí)”，真正稱得上是“發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是廣義相對(duì)論的堅(jiān)實(shí)預(yù)言”。因此，霍金對(duì)此次獲獎(jiǎng)成果的貢獻(xiàn)也是很大的。除此之外，霍金還在黑洞熱力學(xué)（其中包括了著名的“霍金輻射”）、“黑洞無毛發(fā)定理”等方面做過重要研究。因此我在微博上說，“霍金的巨大聲望固然有很大比例來自他的身體條件，但他在黑洞研究上的實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)也并不亞于——甚至可以說是高于——彭羅斯”。

至于我說“今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也許會(huì)成為一種尷尬”，倒不是覺得彭羅斯的獲獎(jiǎng)有何不當(dāng)——如前所述，我對(duì)他的獲獎(jiǎng)是持肯定態(tài)度的。我甚至希望今后有更多純理論的研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)檫@類研究其實(shí)早已是現(xiàn)代物理研究的重要組成部分了。只不過，彭羅斯的獲獎(jiǎng)使霍金的不獲獎(jiǎng)變得很突出，所謂“尷尬”指的是這個(gè)。諾貝爾獎(jiǎng)的提名記錄有50年的保密期，等最近幾十年的記錄解密之后，我相信人們會(huì)看到霍金獲得過大量提名。對(duì)于他的不獲獎(jiǎng)，唯一說得通的理由就是他的研究是純理論的，幾乎不可能被觀測和實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。但彭羅斯的黑洞研究是同樣類型的，因此他的獲獎(jiǎng)推翻了這一理由。也因此，我說彭羅斯的獲獎(jiǎng)“使霍金的不獲獎(jiǎng)成為了諾貝爾獎(jiǎng)的一次無可推脫的缺漏，并且特別引人注目?！?/p>

當(dāng)然，微博不可能面面俱到，從積極的方面講，我們也可以將彭羅斯的獲獎(jiǎng)視為諾貝爾獎(jiǎng)的一次“糾偏”，糾正對(duì)純理論研究的偏廢，雖然很遺憾地沒能在霍金生前就“糾”，但終究也是進(jìn)展。

至于霍金如果在世能否獲得這一獎(jiǎng)項(xiàng)，答案在我看來是非?？隙ǖ?。針對(duì)黑洞的純理論研究不頒獎(jiǎng)則已，若頒獎(jiǎng)且霍金在世，只頒給彭羅斯而不頒給霍金是難以想象的。