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霍金的朋友、著名数学家彭罗斯获得2020年诺贝尔物理学奖,这是怎么回事? | 袁岚峰

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导读



在此之前,许多科学家对黑洞的看法是,它只会出现在非常特殊的条件下(如完美的旋转对称),稍有不对称就会导致黑洞不出现。也就是说,他们认为,现实条件下不会出现黑洞。但彭罗斯和霍金证明了,这种看法是错的,黑洞在真实的宇宙中完全可以出现。

每年的诺贝尔奖公布时,第一天我基本都没啥可说的,因为是生理学或医学奖。从第二天开始,我有所了解的可能性就大增了,因为第二天是物理学奖,第三天是化学奖。
2020年10月6日,诺贝尔物理学奖公布了。令我吃惊的是,这次我不但是有所了解,而且是了解得不算少,能立刻解读一下。
因为这第一位获奖者实在是太有名了,罗杰·彭罗斯(Roger Penrose,1931 - )。他是一位著名的科普作家,我看过他的《皇帝新脑》。实际上,看过“第一推动丛书”的人都会记得,彭罗斯是霍金(Stephen William Hawking,1942 - 2018)的朋友与合作者。他们俩都是英国人。
诺贝尔奖网站上的彭罗斯像
2018年3月14日,霍金去世的当天,我写了一篇文章《纪念霍金:人是一根会思想的芦苇》。里面介绍了霍金在科学、科普以及励志等方面的贡献,其中我说到,霍金没有得诺贝尔奖,是因为他的成果没有达到诺贝尔奖的级别。现在我必须要收回这句话了,因为这次彭罗斯得奖的成果,有很多正是跟霍金一起做的!
具体解释一下,诺贝尔奖网站上彭罗斯得奖的理由(https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/penrose/facts/)是,“由于发现黑洞的形成是广义相对论的一个稳健的预测”(for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity)。
这话是什么意思呢?我在霍金的书中看到过。他们证明了,广义相对论在很广泛的条件下都会导致黑洞。这就是所谓“稳健的预测”。
为什么这很重要?因为在此之前,许多科学家对黑洞的看法是,它只会出现在非常特殊的条件下(如完美的旋转对称),稍有不对称就会导致黑洞不出现。也就是说,他们认为,现实条件下不会出现黑洞。但彭罗斯和霍金证明了,这种看法是错的,黑洞在真实的宇宙中完全可以出现。
我的同事、科大天文学系教授袁业飞传给了我一些原始文献,包括彭罗斯1965年的文章《引力塌缩与时空奇点》(Gravitational Collapse and Space-Time Singularities)以及霍金与彭罗斯1970年的文章《引力塌缩和宇宙学的奇点》(The singularities of gravitational collapse and cosmology)。
《引力塌缩与时空奇点》
《引力塌缩和宇宙学的奇点》
在彭罗斯工作的基础上,霍金证明了,如果逆着时间轴看,那么大爆炸就是塌缩,所以整个宇宙也必不可免来自奇点。也就是说,以前人们讨论的是“在当前的宇宙中是否存在奇点”,霍金推广到了“整个宇宙的过去肯定有个奇点”。
广义相对论巨著《Gravitation》对彭罗斯的评价
广义相对论巨著《Gravitation》对霍金的评价
在了解这些工作之后,我们立刻会产生一个感觉:霍金实在是太亏了!他如果多活两年,也许就会跟彭罗斯一起得诺贝尔奖了。
当然,也有可能是谁都得不了,因为诺贝尔奖一次最多发给三个人,而这次正是发给了彭罗斯与另外两个人。如果霍金还活着,反而会让诺贝尔奖委员会很难办。
实际上,彭罗斯已经89岁了,因此这次可以理解为“抢救性颁奖”。这种做法近年来越来越多。
例如2017年因为发现引力波获得诺贝尔物理学奖的三个人雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry Clark Barish)和基普·索恩(Kip Stephen Thorne),获奖时分别是85岁、81岁和77岁(《听三位诺贝尔奖得主讲引力波 | 袁岚峰》)。而且他们还有一位重要合作者罗纳德·德雷弗(Ronald William Prest Drever)在2017年初去世了,享年85岁。

墨子沙龙引力波大会
罗纳德·德雷弗
又如2018年获得诺贝尔物理学奖的“光镊之父”亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin,1922 - 2020),获奖时已经96岁了(《日本诺贝尔奖现在多于中国很正常,但未来属于中国 | 袁岚峰》)!打破了诺贝尔奖的高龄纪录。

亚瑟·阿什金

更神的是,第二年这个纪录又被97岁的诺贝尔化学奖得主John B. Goodenough(1922 - )打破了(《97岁的“足够好”老爷子刷新纪录:2019年诺贝尔化学奖的故事 | 袁岚峰》)。开玩笑地说,Goodenough应该叫做Oldenough。

John B. Goodenough

不久前的2020年9月21日,阿什金老爷子去世了,享年98岁。而Goodenough老爷子,仍然一如既往地超长待机,正如他研究的——锂电池。
又如2019年得奖的詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles),也已经84岁了(《踏过宇宙涟漪,我心澎湃依旧:2019年诺贝物理学奖的故事 | 袁岚峰》)。他获奖的理由是一个比较暧昧的说法,“因为物理宇宙学中的理论发现”(for theoretical discoveries in physical cosmology),这在诺贝尔奖中是相当少见的。其实就是因为不给老爷子说不过去,那就赶快把他的成果打包发一个吧!
詹姆斯·皮布尔斯
从宏观来看,这也许反映了物理学理论进步的缓慢。新的大成果发完了,如果给次一级的成果又觉得不公平,不得不把以前的理论成果翻出来发奖。所以这种抢救性颁奖,既是对上个世纪物理学成就大爆发的追认,也是对当前物理学重大突破匮乏的无奈。
关于彭罗斯还有一点有趣的是,他的学术背景更多的是数学家,而不是物理学家。所以可想而知,我的许多做数学科普的朋友,都会宣布:“震惊!数学家彭罗斯获得诺贝尔物理学奖!”
例如,许多人知道彭罗斯,不是因为他对广义相对论和量子力学的贡献,而是因为彭罗斯镶嵌(Penrose tiling)。这是一种用两种基本图形组成的拼图,可以铺满整个平面,但没有周期性。这不但是个有趣的数学图形,而且由于它的五次对称性,对一种叫做“准晶”(quasicrystal)的物理现象也有很大的启发。

彭罗斯镶嵌
最后再说一下,跟彭罗斯同时得奖的是德国科学家Reinhard Genzel与美国科学家Andrea Ghez。他们得奖的理由是“由于在银河系的中心发现具有超级质量的致密天体”(for the discovery of a supermassive compact object at the centre of our galaxy),用大白话说,就是发现银河系中心的黑洞。一般认为,这个黑洞的质量是4百万倍太阳质量。彭罗斯获得了奖金的一半,这两位各获得了1/4。
Reinhard Genzel
Andrea Ghez
这更加让我们理解了,为什么今年要发给彭罗斯。如果彭罗斯和霍金这两位预测黑洞存在的理论家没得奖,发现黑洞的实验家却得奖了,这怎么说得过去?
我们在为霍金唏嘘的同时,也可以意识到:由于《时间简史》这部科普神作以及身残志坚的传奇形象,霍金对公众的影响、对科学的贡献都远远超越了诺贝尔奖的范畴。仁远乎哉?我欲仁,斯仁至矣!
霍金的笑
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