诺奖“风向标”与理论尽头

向治霖

今年的诺贝尔物理学奖，争议比较大。这一次，奖项授予了黑洞研究，但对大众来说，黑洞早就很“熟悉”了。于是，不免有人会感到惊讶，它到现在才得奖？

这不只是大众的感受，实际上，业界也有类似感叹。比如说获奖人之一、德国科学家赖因哈德·根策尔，他接受采访时说，对于诺奖，他本来是没有期待的。不期待的一个原因，是“黑洞存在”这课题确实太老，等了太久。

要知道，诺贝尔先生创立奖项时，有一个原则是，“颁奖给那些在前一年作出杰出贡献的人”。

虽然到现在，这一原则很难执行，但根据公益的近似原则，委员会要执行其“精神要义”。就是说，诺贝尔奖要表彰的，至少是新锐的、先锋的研究。

很明显，黑洞研究在今天，绝不能说很先锋。更何况，这一次表彰的课题，在黑洞研究里亦不是前沿。所以，它更像是一次“追封追授”。

又一个争议出现了，这是业界人士更关注的—

物理学奖搞起了“追封追授”，既如此，怎么能漏掉霍金？漏掉了霍金的诺奖，还是那个“理中客”吗？

“漏网”的霍金

今年，物理学奖分成了两部分，但表彰的意思是一个：获奖的人证明了黑洞存在。

一部分是理论上的，这部分授予给罗杰·彭罗斯。他在上世纪70年代证明，黑洞的形成是广义相对论强有力的预测结果。

另一部分是实际观测的，这部分授予给两个人，赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹。他们互相独立地发现了，在银河系中心有一个超大质量的紧密天体—评委没说是“黑洞”，但这是目前唯一的已知物理解释。

其中，关系到霍金的，主要是彭罗斯。

说起来，霍金与彭罗斯，都和一个人关系匪浅，那就是英国天文学家丹尼斯·夏玛。

夏玛曾经无不得意地说：“我对物理学和天文学最大的贡献，一个是培养出霍金这名学生，一个是把彭罗斯拉过来搞相对论。”

彭罗斯是被“拉”过来的，说明他不是专门的天文学家。实际上，他的主业是数学家，是该领域“大神”般的存在。经过夏玛介绍，彭罗斯着手广义相对论的研究，最重要的工作，是求取广义相对论场方程的精确解。

彭罗斯的工作诚然卓越，但要论及“强有力”，霍金的功劳不能减免。如果要论及“开创性”，彭罗斯也不是第一个求得解的。

对这个方程求解的过程，就是黑洞“诞生”的过程。

具体是这样的，首先在1915年，爱因斯坦发表了“广义相对论场方程”。从此，要研究宇宙的话，理解这个方程是必须的。

1916年，德国的施瓦西得到场方程的一个严格解。这个解，预言了黑洞存在，如今叫“黑洞解”。

此后，陆续有其他科学家求解，相继求出的精确解，都支持了黑洞假说。

然而，黑洞到底有没有，理论界的争议还很大—受限于现实条件，这个时候，轮不到观测天文学上场（要等到射电望远镜发展壮大）。

理论争议是多方面的。如果黑洞存在，那它是如何形成的？从这个角度，虽然有相继得出的精确解支持，但在求解时，科学家们预设了种种前提。然而现实中，这些前提无法确立，甚至有可能不存在。

因此，黑洞的形成无法确立，再加上其他原因，否认黑洞的存在是主流观点。其中，还包括了爱因斯坦本人。

彭罗斯个人的贡献是，他采用了新的数学方法，去掉了对称性的前提下，依然证明了黑洞的存在是广义相对论的必然推论。但是，他还没有把预设的前提一网打尽。

接着，霍金注意到彭罗斯，两人开始合作。1970年，两人得到了更普遍的定理，如今被命名为“霍金﹣彭罗斯奇点定理”。

这一次，定理去除了所有的假设前提。他们通过数学证明，在任何情形下，奇点的出现都是广义相对论的必然推论。其中，奇点是黑洞的核心组成。

至此，通过广义相对论推论出黑洞，才是真正“强有力”的。

时间回到今年10月，颁奖的时候，诺奖委员会只强调了彭罗斯的个人工作，似乎是在有意避开霍金。但是，如前文所说，霍金是根本避不开的。

这是因为，彭罗斯的工作诚然卓越，但要论及“强有力”，霍金的功劳不能减免。如果要论及“开创性”，彭罗斯也不是第一个求得解的，他之前还有诸多前辈。

所以，面对霍金“粉丝”的声讨，诺奖委员会的狡辩无益，理由苍白得很。

好久不见的“观测学”

霍金没有得到诺奖，这是霍金的遗憾，更是诺奖的遗憾。斯人已逝，但大众仍为他鸣不平，这足以证明，大众对霍金充满了敬意。

不过，今年物理学奖的另一个争议，其中“恶意满满”。有部分观点认为，另外两名获奖者，赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹，他们的工作配不上诺奖。

颁奖词的描述是：“他们发现了银河系中心的一个超大质量的紧密天体。”

吃瓜群众要说了，就这？

根策爾和盖兹的工作，属于“观测天文学”范畴，这是要耐得住寂寞，常年坐着冷板凳的。日复一日的观测，比起求解高难度方程，确实没那么“极客”，没那么酷。

霍金没有得到诺奖，这是霍金的遗憾，更是诺奖的遗憾。

他们的工作从上世纪90年代开始。据诺奖委员会的介绍，他们各自领导着一个天文学家小组，重点研究银河系中心一个叫作人马座A* 的区域。在他们的努力下，最靠近银河系中心的最亮恒星的轨道，已经以越来越高的精度被绘制出来。

绘制出的星图有什么用？

根策尔和盖兹的工作，首先是证明了，银河系的中心确实有一个超大质量的紧密天体。只有这样，才能解释中心处的恒星们被谁牵动。

进一步地，两人的工作也一致证明，这个超大质量的紧密天体，是“大约400万个太阳质量聚集在一个不比我们太阳系大的区域里”。

根据目前的知识，它只能是黑洞。

所以总结说，霍金和彭罗斯的工作，是证明了黑洞一定存在；根策尔和盖兹的工作，则证明了黑洞在星系中普遍存在。

这份研究的意义同样重大。早在2012年，根策尔就获得了克拉福德奖。该奖的主要意图，就是对诺奖遗漏科学领域的基础研究予以奖励。

只不过，诺奖的知名度明显更高，是个相当大众化的奖。那么，问题随之出现：从全世界投来的目光，为什么对“观测天文学”低看一眼？

这是个很有意思的话题。

其实，“观测的科学”不被看好，也不是最近的事了。虽然在历史上，“观察”是科研的最早方法论，但从近代以来，它被其他方法论逐渐取代。

取代它的，一个是笛卡尔主张的“数理方法论”。这派观点认为，能够用数学语言描述的，利用公式来推演的，才能真正把握到物质的本质和规律。

霍金和彭罗斯的工作，就属于“数理科学”。他们不需要望远镜，只需对广义相对论场方程求解，就能早早地预言黑洞存在。

另一个取代物，则是“实验方法论”，由罗吉尔·培根等人推崇。举个例子，2017年的物理学奖，颁给了三位美国科学家，因为他们探测到了引力波。这就属于“实验科学”。

大致上看，“数理科学”侧重演绎法，它能从一个真理，推演出另一个真理。因此，历史上的数理科学家们，以惊人的预言能力著称。

“实验科学”则注重实验和归纳，简单说，它从实验中先得到特殊规律，再通过归纳得出一般性规律。

数理科学和实验科学，实际上“殊途同归”。它们的目标，都是发现一般性的规律。这些规律成为定理，构筑了现在的科学大厦。

说到这里，也就不难理解，“观测科学”为什么被边缘化。

从结果上看，“观测科学”只提供观测所得，并不能提供一般性规律。因此，最受瞩目的现代科学成果中，很少有它的位置。

说回根策尔和盖兹，对他们工作的争议，深层的原因就是“观测科学”的危机。

尽头与出路

要强调的是，根策尔和盖兹的工作，当然是值得诺奖奖励的。笔者甚至认为，强调和重视“过时”的观测科学，正是这次的物理学奖给出的启示。

说起天文学，本身还是从观测科学开始的。

起初，伽利略发明了望远镜，拓宽了人眼观测的距离。开普勒的老师第谷，终其一生进行观测和记录。正是因为第谷留下的大量材料，开普勒总结出天体运行的三大规律，最后，由牛顿奠定了绝对时空的宇宙。

然而，就如同历史重演一样，第谷在科学史中几乎没有位置，而这一次物理学奖公布后，被谈论得最多的，依然是彭罗斯和霍金。

数理科学诚然是光芒万丈。最受敬仰的科学家，牛顿、爱因斯坦、霍金等人，都是数理科学家。然而，大师远去之后，数理科学的光芒有衰微迹象。

这一次的“追封追授”，直追到了上世纪70年代，一定程度上说明，现在的理论处于“无可封、无可授”的尴尬境地。

物理理论陷入瓶颈，现在是老生常谈了。这一次物理学奖公布后，类似的情绪又被撩拨。有观点认为，这一次的“追封追授”，直追到了上世纪70年代，一定程度上说明，现在的理论处于“无可封、无可授”的尴尬境地。

仅仅是黑洞的未解之谜，就足以令人望而生畏。根据目前的认知，黑洞的质量之大，光也不能穿过。被吸入了黑洞的，无论是什么，信息都会永久性丢失。

诺奖的评审专家在直播时，用一个黑色的球简单说明。黑球是黑洞的“事件视界”，里面是有去无回的空间，如果将手指伸入“事件视界”，由于超强的“引力场”导致时空弯曲，这根手指会去到“将来”。

广义相对论后的宇宙观，是一个“时空—物质—场—流形”融合作用的整体图景。在黑洞的奇点处，空间曲率无限大，时间r=0。那里是时间的终点。

也就是说，奇点之所在，是我们已知的所有自然规则失效的地方。

黑洞的性质，对电影观众而言是奇观，对科学界来说却是灾难。在爱因斯坦的时代，他不主张黑洞存在，除了在当时不能证明黑洞存在的必然性之外，还因为他无法接受，宇宙中会有一个地方，令自然法则失效。

即便在后来，霍金和彭罗斯亲手“找”出了黑洞，证明了它的存在，彭罗斯依然主张“宇宙监察假说”。也就是说，奇点都是被事件视界包裹的，不存在裸露的奇点，以此来拯救自然法则在支配自然时的不完美（尽管完不完美是人为标准）。

总之，数理科学对理论的推演，长期以来尽显疲软了。相对地，观测科学大有兴起之势。以根策尔和盖兹为例，他们用的目前最先进的望远镜，口径在8～10米。据了解，新的口径在25米左右的望远镜，现在正在研制中。

“观测”虽然是最老的方法，但我们不能低估它的价值。“兴起之势”是说，观测科学现在仍在进步，在物理理论和实验的发展都陷入了瓶颈时，它不失为一处活水。至少今年的诺奖，就证明了它的潜力。