原創(chuàng) 見文末 果殼

2020年諾貝爾物理學獎頒給了羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），因他發(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對論的一個預言；萊因哈特·根策爾（Reinhard Genzel），安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez），因他們發(fā)現(xiàn)銀河系中心的超大質量致密天體。

為什么今年的諾獎再次頒給了天文宇宙學方向？黑洞的研究居然時至今日才拿獎？針對今天的諾獎結果，我們聯(lián)系了與幾位科學家，聽一聽他們對諾獎的看法。

張雙南：

黑洞研究者們已經等待太久了

中國科學院高能物理研究所研究員，粒子天體物理中心主任，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任

黑洞研究獲得諾獎一直是眾望所歸的，黑洞研究者們已經等待太久了。

當然，因為天體物理領域近年來獲得的諾貝爾物理獎實在是太多了，今年又授予了這一領域，所以我還是挺意外的；而且很多人也認為，黑洞的諾獎很可能會給最早的黑洞發(fā)現(xiàn)者，獲獎的兩位觀測天文學家很顯然不是。不過這三位獲獎也是實至名歸——對于黑洞的存在，他們分別貢獻了無可爭議的理論預言和無可置疑的觀測證據，在當世科學家中的確最為突出。祝賀他們！

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。黑洞存在的證據其實非常多，至少半個世紀以來不斷有各種重要的天文發(fā)現(xiàn)支持黑洞的存在；但如果要挑出一件工作作為最確鑿的單項證據，那就是他們的工作。他們從上世紀90年代開始，一口氣做了20多年，幾十年磨一劍！他們的工作也是被引用最多的用以說明黑洞存在的證據，我在幾乎每一個講黑洞的科普報告都會提及。

張雙南老師在“我是科學家”活動上的演講 | 我是科學家

另外，近年來黑洞和天體物理成為諾獎熱門，可能很大程度上也反應了社會的關注度越來越大，這可能也是諾獎的考量因素之一，畢竟科學對人類的貢獻除了技術進步之外，對自然和宇宙的認識可能更重要，而這也構成了人類文明的重要組成部分，這正是天文學和天體物理的研究成果得到了廣泛的社會關注度的重要原因之一。

張帆：

這兩個研究比其他諾獎級別更高

北師大天文系副教授

2017年、2019年的獲獎研究都是引力領域的；今年又給了引力領域，稍稍有點驚喜，但也算不上特別意外。對于今年可能是什么研究得獎，貌似大家都完全沒有頭緒，沒有預期也就沒有超預期。

2017年的諾貝爾物理學獎頒給了雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，他們因為LIGO項目和發(fā)現(xiàn)引力波獲獎 | nobelprize.org

近期的重大突破好像這兩年都給完了，感覺上，今年諾獎有點想要填補以前漏掉的重大發(fā)現(xiàn)。黑洞研究的這一個理論和一個觀測，確實是屬于特別重要又被遺漏的；而且彭羅斯年事又高，趁機盡快頒獎，我覺得是挺好的。

我個人覺得，這兩個研究比普通諾獎級別要高一點。

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。在他的工作之前，雖然已經存在廣義相對論的黑洞解，但都是特別對稱的解——這是因為，對稱性能減少獨立偏微分的數(shù)目，從而簡化方程，使得解析解成為可能。但大家并不知道，這種解的存在本身是否極端依賴對稱性；換言之，在宇宙真實的環(huán)境中，對稱性并不可能那么完美，那么這種黑洞解是不是就不會真正實現(xiàn)？我們得到的由天體坍縮所形成的，是不是會是其它更普通的東西？

在彭羅斯之前，天文界的主流觀點其實是黑洞在宇宙里多半不會真實存在（感興趣的讀者，可以看看錢德拉塞卡和愛丁頓的故事）。后來，彭羅斯用特別有新意的數(shù)學方法證明：即使對稱性被破壞，黑洞也還是會形成。這開創(chuàng)了所謂廣義相對論在沉寂數(shù)十年后的黃金時代，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。

羅杰.彭羅斯 | AGILE RABBIT

而尋找到的一個特別重要的結果，就是本次另兩個獲獎者所觀測到的超大質量黑洞。它們是驅動類星體等等諸多重要天體的引擎，而這些天體又成為了觀測宇宙學和高能天體物理的核心手段或研究對象。它們與宿主星系之間也有著神秘的關系，可能在星系形成過程中起到關鍵作用，也與暗物質的特性息息相關。

超大質量黑洞的相關研究數(shù)量眾多，而且涉及的都是前沿，我無法一一列舉，更沒法在這里深入介紹各種對立觀點。但這困難本身也說明，超大質量黑洞的成功觀測，不僅是因為發(fā)現(xiàn)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。

張宏寶：

彭羅斯拿獎，可能是對霍金沒拿的補償

北京師范大學物理學系副教授

今天的結果有點意外。愛因斯坦也沒有因為廣義相對論這個理論拿諾貝爾獎，之前很多同行的預測也主要是在量子物理領域。

在我看來，彭羅斯有兩個重要的貢獻：一是把整體微分幾何引入廣義相對論，重塑了廣義相對論的語言表達（北師大引力中心梁燦彬與周彬所著的《微分幾何與廣義相對論入門》為這一現(xiàn)代語言在中國的傳播與普及作出了歷史性貢獻），并證明了奇點定理，給出了很多與奇點以及黑洞相關的猜想，如宇宙監(jiān)督假設、彭羅斯不等式，這些一直到現(xiàn)在都是經典廣義相對論重要的研究課題。奇點定理也意味著廣義相對論不是一個完備的引力理論，這使得大家今天努力在追尋量子引力理論，而彭羅斯的紐量理論則是其中的一個獨立特性的候選者。此外，彭羅斯也是一個杰出的科普作家，寫過《皇帝新腦》、《通往現(xiàn)實之路》等杰作。

彭羅斯的書《皇帝新腦》

彭羅斯拿獎雖然意外，但名至實歸，這可能也是對霍金沒拿諾獎的一個補償吧。

我最近做的研究直接與彭羅斯的宇宙監(jiān)督假設相關。今年我申請的國家自然科學基金研究課題《弱宇宙監(jiān)督與強宇宙監(jiān)督新探》得到同行的認可，進而得到了資助。引力物理毫無疑問是20世紀被冷落、但21世紀該得到越來越多重視的方向，希望這次諾獎能夠使得國內相關機構加大對引力理論與觀測方面的資助。

引力物理從過去的隱學正在變?yōu)槲磥淼娘@學，這是基礎物理在未來有重大突破，甚至發(fā)生革命的地方。我想這大約得益于各種天文觀測數(shù)據的積累。廣義相對論是愛因斯坦通過思想實驗發(fā)現(xiàn)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么受待見。但隨著引力波的探測、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，因而大膽地開始給廣義相對論這個理論本身發(fā)展作貢獻的彭羅斯發(fā)獎了。

尹璋琦 ：

沒有同一個領域連續(xù)獲獎兩次

北京理工大學物理學院量子技術研究中心教授

很意外，因為去年諾貝爾獎剛剛給了宇宙學。過去二十年，諾貝爾獎基本上是四個不同領域輪流拿（編者注：諾貝爾物理學獎主要集中四個領域——粒子物理、天體物理、凝聚態(tài)物理、原子分子及光物理），沒有出現(xiàn)同一個領域連續(xù)拿兩次的。

彭羅斯與霍金在黑洞理論上的工作，早就被認為是可以拿諾貝爾獎的成果。不過，直到LIGO發(fā)現(xiàn)引力波，以及天文學家觀察到了銀行中的黑洞，他們的理論才得到了直接驗證。

（果殼：大家都在惋惜霍金。）是啊是啊。LIGO發(fā)現(xiàn)黑洞碰撞的引力波后，他們就遲早要獲獎了。

（果殼：那今年發(fā)給彭羅斯，和霍金去世了有關嗎？會不會考慮到再不發(fā)就堅持不了……）不知道啊！我覺得有可能……

彭羅斯寫的科普書很多，影響力也很大，比如說《皇帝新腦》、《時空本性》。他的腦洞特別大，例如這個——

圖片來源丨尹璋琦

施郁：

諾獎風格發(fā)生變化，給更多理論學者

復旦大學物理學系教授

我對今年的結果感到十分意外，一是今年再次頒給了天體物理相關的方向，打破了相鄰年份不頒給同一個領域的現(xiàn)象，更是因為感覺到諾獎的風格發(fā)生了變化：開始將獲獎機會給到更多的理論學者，同時表明黑洞正式得到諾獎的承認。

彭羅斯獲獎是因為證明了一個定理，而不是一個具體的問題，按照諾獎的傳統(tǒng)，很難獲獎，反而更適合“科學突破獎”。史瓦西在廣義相對論剛發(fā)表就提出了黑洞，彭羅斯則發(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對論在很寬泛條件下的必然。雖然這是很杰出的成就，但是得到諾獎還是令人驚訝。

另一半獎項是關于超大質量黑洞，這是近年來天文學與天體物理的重要成就，也與EHT的黑洞照片有關（那是位于M87星系中心的黑洞），這也是偏向于觀測方面。這剛好也是EHT下一個觀測目標——銀河系中心人馬座A*。

第一張黑洞照片，M87黑洞丨EHT

李淼 ：

天體物理和宇宙學，將是物理學最活躍的領域之一

南方科技大學物理系教授

今年物理學獎頒給和黑洞、天體物理相關的工作，我覺得一點都不奇怪。

一方面，這說明在過去幾十年和未來數(shù)十年，天體物理和宇宙學將會是物理學最活躍的領域之一——如果不是唯一的話。另外一方面，也說明過去幾十年，除了已經頒發(fā)的物理學獎，其他的物理學成就，相對來說級別可能稍微輕一點，所以今天會把諾獎頒給這兩項研究。

同樣地，今年的獲獎研究也非常重要。

彭羅斯在上世紀60年代，用純數(shù)學的角度來研究天體物理；后來和霍金一起證明，在一般的物理條件之下，黑洞也是存在的。也就是說，不管情況如何，最終都會出現(xiàn)一個不可避免的數(shù)學的奇點，這個起點就是黑洞的形成。

而在起點之外，一定會有一個所謂的“視界”。在這個視界之內，所有物質（包括光）如何出去，這就是著名的“黑洞的起源”。在彭羅斯和霍金之前，物理學家已經知道，只要有足夠重的天體，就會無可避免地形成這種黑洞；而他們則用更加一般的數(shù)學物理方式，證明了這是不可避免會發(fā)生的。

根策爾和蓋茲的團隊從90年代開始就一直研究宇宙中的黑洞。他們用天體物理學的方法——也就是用光學望遠鏡，發(fā)現(xiàn)在很小的區(qū)域里面，有些恒星的質量超大，達到了數(shù)百萬倍的太陽質量。后來比較確定的是，肯定是超過了400萬倍的太陽重量。

圖丨Pixabay

他們倆人的工作，跟彭羅斯的工作沒有關系；但從物理的脈絡來講，又有關系。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的黑洞。盡管在此之前，物理學家已經看到了很多其他黑洞，但是證據都不如根策爾他們所發(fā)現(xiàn)的這個400萬倍太陽質量的黑洞這么證據充分。

茍利軍：

有點意外，但又意料之中

中科院國家天文臺研究員、中國科學院大學教授

再次頒發(fā)給天文是有點意外，但是頒發(fā)給這幾位獲獎者又是意料之中。

具體來說，頒給羅杰·彭羅斯讓我有一點意外；但另兩位科學家萊因哈特·根策爾和安德烈婭·蓋茲在黑洞研究方面，的確是有開創(chuàng)性突破的。根策爾證明了在銀河系當中是存在超大質量黑洞的，兩位精確測量了銀河中心黑洞的質量，在黑洞方面的成果已經是領域內所公認的。而且，根策爾還在2008年獲得了邵逸夫獎。

根策爾獲得2008年邵逸夫天文學獎 | The Shawprize

黑洞方面的研究有很多，其中之一是尋找中等質量的黑洞，比如前一段時間發(fā)現(xiàn)的142倍太陽質量的中等質量黑洞。盡管我們聽說黑洞很久了，但直到去年，我們才終于看到了黑洞的照片。其實當時觀測了兩個天體，一個是M87星系中央的黑洞，另一個是銀河系中心的黑洞。很遺憾的是，到目前為止，銀河系中心的黑洞照片還沒有發(fā)布，這足以表明這個過程的難度有多高。

諾獎不僅有觀測方面，也有理論方面，例如去年就頒發(fā)給了在物理宇宙學的理論發(fā)現(xiàn)貢獻者。黑洞一直是大眾關心的，例如銀河系中央的照片，一旦發(fā)布又會成為一次熱點；另外，黑洞周圍的暗流是怎么產生的？這都有待進一步探索。

2019年的諾貝爾物理學獎，授予了發(fā)現(xiàn)宇宙演化過程諸多理論的詹姆斯·皮布爾斯（左）以及發(fā)現(xiàn)系外行星的米歇爾·馬約爾（中）和迪迪埃·奎洛茲（右）| nobelprize.org

蔡一夫：

霍金真的是愿賭服輸，最后輸給了時間

中國科學技術大學天文系教授

我感到很意外，去年就是天文宇宙學，所以我今年壓根都沒有關注，畢竟哪會想到來個兩連擊。但從某種意義上說，黑洞相關工作的重要性已經不需要諾獎來證明了……畢竟愛因斯坦拿諾獎也不是靠他的相對論。

從1916年左右開始，黑洞的理論和觀測進入到科學視野。那時候是史瓦西通過求解愛因斯坦剛剛新鮮出爐的廣義相對論，才得到現(xiàn)代科學所認知的第一個黑洞解。但在這之后，包括愛因斯坦、愛丁頓等一大波引力大師們都曾認為，黑洞只不過是物理理論碰巧在數(shù)學求解時偶爾得到的玩具，并非真實存在。在這之后，一直到上世紀六十年代，才有了第一個黑洞的間接觀測——天鵝座X1，這曾經引發(fā)霍金和索恩之間的性情豪賭。

霍金 | Physics World

所以，黑洞的理論和觀測，其科學意義早就超越了一兩個諾獎本身，而是在現(xiàn)代科學研究中占據了核心地位。彭羅斯也是這一階段中的黑洞研究引領者，是他所提出的奇點定理將霍金在博士期間引入到了當時宇宙學研究中最前沿的領域。只不過彭羅斯是個很嚴肅認真的科研者，不愛參與賭博。

看到這個消息的第一時間，我的感慨是霍金真的是愿賭服輸……最后輸給了時間。

對于另外兩位觀測學家， 我個人覺得其所做工作并非最早、最原創(chuàng)的，但作出的工作肯定是最重要的——他們是對銀河系中心黑洞進行觀測。這與近些年EHT給黑洞拍照的最新進展，也有著很大的關聯(lián)。

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