2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），因他發(fā)現(xiàn)黑洞形成是廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)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(zhì)量致密天體。

為什么今年的諾獎(jiǎng)再次頒給了天文宇宙學(xué)方向？黑洞的研究居然時(shí)至今日才拿獎(jiǎng)？針對(duì)今天的諾獎(jiǎng)結(jié)果，我們聯(lián)系了與幾位科學(xué)家，聽一聽他們對(duì)諾獎(jiǎng)的看法。

張雙南：

黑洞研究者們已經(jīng)等待太久了

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員，粒子天體物理中心主任，中國(guó)科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任

黑洞研究獲得諾獎(jiǎng)一直是眾望所歸的，黑洞研究者們已經(jīng)等待太久了。

當(dāng)然，因?yàn)樘祗w物理領(lǐng)域近年來(lái)獲得的諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)在是太多了，今年又授予了這一領(lǐng)域，所以我還是挺意外的；而且很多人也認(rèn)為，黑洞的諾獎(jiǎng)很可能會(huì)給最早的黑洞發(fā)現(xiàn)者，獲獎(jiǎng)的兩位觀測(cè)天文學(xué)家很顯然不是。不過這三位獲獎(jiǎng)也是實(shí)至名歸——對(duì)于黑洞的存在，他們分別貢獻(xiàn)了無(wú)可爭(zhēng)議的理論預(yù)言和無(wú)可置疑的觀測(cè)證據(jù)，在當(dāng)世科學(xué)家中的確最為突出。祝賀他們！

黑洞是廣義相對(duì)論最重要和最早的預(yù)言，是天體物理領(lǐng)域最重要的觀測(cè)結(jié)果之一，也是宇宙中最令人著迷的天體。黑洞存在的證據(jù)其實(shí)非常多，至少半個(gè)世紀(jì)以來(lái)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(xiàng)證據(jù)，那就是他們的工作。他們從上世紀(jì)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(shuō)明黑洞存在的證據(jù)，我在幾乎每一個(gè)講黑洞的科普?qǐng)?bào)告都會(huì)提及。

張雙南老師在“我是科學(xué)家”活動(dòng)上的演講 | 我是科學(xué)家

另外，近年來(lái)黑洞和天體物理成為諾獎(jiǎng)熱門，可能很大程度上也反應(yīng)了社會(huì)的關(guān)注度越來(lái)越大，這可能也是諾獎(jiǎng)的考量因素之一，畢竟科學(xué)對(duì)人類的貢獻(xiàn)除了技術(shù)進(jìn)步之外，對(duì)自然和宇宙的認(rèn)識(shí)可能更重要，而這也構(gòu)成了人類文明的重要組成部分，這正是天文學(xué)和天體物理的研究成果得到了廣泛的社會(huì)關(guān)注度的重要原因之一。

張帆：

這兩個(gè)研究比其他諾獎(jiǎng)級(jí)別更高

北師大天文系副教授

2017年、2019年的獲獎(jiǎng)研究都是引力領(lǐng)域的；今年又給了引力領(lǐng)域，稍稍有點(diǎn)驚喜，但也算不上特別意外。對(duì)于今年可能是什么研究得獎(jiǎng)，貌似大家都完全沒有頭緒，沒有預(yù)期也就沒有超預(yù)期。

2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，他們因?yàn)長(zhǎng)IGO項(xiàng)目和發(fā)現(xiàn)引力波獲獎(jiǎng) | 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(jiǎng)有點(diǎn)想要填補(bǔ)以前漏掉的重大發(fā)現(xiàn)。黑洞研究的這一個(gè)理論和一個(gè)觀測(cè)，確實(shí)是屬于特別重要又被遺漏的；而且彭羅斯年事又高，趁機(jī)盡快頒獎(jiǎng)，我覺得是挺好的。

我個(gè)人覺得，這兩個(gè)研究比普通諾獎(jiǎng)級(jí)別要高一點(diǎn)。

彭羅斯的奇點(diǎn)定理是促使黑洞成為天文觀測(cè)目標(biāo)的理論奠基石。在他的工作之前，雖然已經(jīng)存在廣義相對(duì)論的黑洞解，但都是特別對(duì)稱的解——這是因?yàn)?，?duì)稱性能減少獨(dú)立偏微分的數(shù)目，從而簡(jiǎn)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(duì)稱性；換言之，在宇宙真實(shí)的環(huán)境中，對(duì)稱性并不可能那么完美，那么這種黑洞解是不是就不會(huì)真正實(shí)現(xiàn)？我們得到的由天體坍縮所形成的，是不是會(huì)是其它更普通的東西？

在彭羅斯之前，天文界的主流觀點(diǎn)其實(shí)是黑洞在宇宙里多半不會(huì)真實(shí)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(lái)，彭羅斯用特別有新意的數(shù)學(xué)方法證明：即使對(duì)稱性被破壞，黑洞也還是會(huì)形成。這開創(chuàng)了所謂廣義相對(duì)論在沉寂數(shù)十年后的黃金時(shí)代，也逼迫天文界認(rèn)真地把黑洞當(dāng)成一個(gè)靠譜的觀測(cè)目標(biāo)去尋找。

羅杰.彭羅斯 | AGILE RABBIT

而尋找到的一個(gè)特別重要的結(jié)果，就是本次另兩個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)咚^測(cè)到的超大質(zhì)量黑洞。它們是驅(qū)動(dòng)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(cè)宇宙學(xué)和高能天體物理的核心手段或研究對(duì)象。它們與宿主星系之間也有著神秘的關(guān)系，可能在星系形成過程中起到關(guān)鍵作用，也與暗物質(zhì)的特性息息相關(guān)。

超大質(zhì)量黑洞的相關(guān)研究數(shù)量眾多，而且涉及的都是前沿，我無(wú)法一一列舉，更沒法在這里深入介紹各種對(duì)立觀點(diǎn)。但這困難本身也說(shuō)明，超大質(zhì)量黑洞的成功觀測(cè)，不僅是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了一個(gè)新類型天體而意義不凡，同時(shí)也為我們提供了當(dāng)代天文學(xué)的一塊基石。

張宏寶：

彭羅斯拿獎(jiǎng)，可能是對(duì)霍金沒拿的補(bǔ)償

北京師范大學(xué)物理學(xué)系副教授

今天的結(jié)果有點(diǎn)意外。愛因斯坦也沒有因?yàn)閺V義相對(duì)論這個(gè)理論拿諾貝爾獎(jiǎng)，之前很多同行的預(yù)測(cè)也主要是在量子物理領(lǐng)域。

在我看來(lái)，彭羅斯有兩個(gè)重要的貢獻(xiàn)：一是把整體微分幾何引入廣義相對(duì)論，重塑了廣義相對(duì)論的語(yǔ)言表達(dá)（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(duì)論入門》為這一現(xiàn)代語(yǔ)言在中國(guó)的傳播與普及作出了歷史性貢獻(xiàn)），并證明了奇點(diǎn)定理，給出了很多與奇點(diǎn)以及黑洞相關(guān)的猜想，如宇宙監(jiān)督假設(shè)、彭羅斯不等式，這些一直到現(xiàn)在都是經(jīng)典廣義相對(duì)論重要的研究課題。奇點(diǎn)定理也意味著廣義相對(duì)論不是一個(gè)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(gè)獨(dú)立特性的候選者。此外，彭羅斯也是一個(gè)杰出的科普作家，寫過《皇帝新腦》、《通往現(xiàn)實(shí)之路》等杰作。

彭羅斯的書《皇帝新腦》

彭羅斯拿獎(jiǎng)雖然意外，但名至實(shí)歸，這可能也是對(duì)霍金沒拿諾獎(jiǎng)的一個(gè)補(bǔ)償吧。

我最近做的研究直接與彭羅斯的宇宙監(jiān)督假設(shè)相關(guān)。今年我申請(qǐng)的國(guó)家自然科學(xué)基金研究課題《弱宇宙監(jiān)督與強(qiáng)宇宙監(jiān)督新探》得到同行的認(rèn)可，進(jìn)而得到了資助。引力物理毫無(wú)疑問是20世紀(jì)被冷落、但21世紀(jì)該得到越來(lái)越多重視的方向，希望這次諾獎(jiǎng)能夠使得國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)加大對(duì)引力理論與觀測(cè)方面的資助。

引力物理從過去的隱學(xué)正在變?yōu)槲磥?lái)的顯學(xué)，這是基礎(chǔ)物理在未來(lái)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(cè)數(shù)據(jù)的積累。廣義相對(duì)論是愛因斯坦通過思想實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，許多外行因而難免對(duì)此將信將疑，所謂眼見為實(shí)。因而在過去一百年來(lái)，廣義相對(duì)論一直不怎么受待見。但隨著引力波的探測(cè)、黑洞照片的拍攝，在這些證據(jù)面前，人們不?得不被廣義相對(duì)論折服，因而大膽地開始給廣義相對(duì)論這個(gè)理論本身發(fā)展作貢獻(xiàn)的彭羅斯發(fā)獎(jiǎng)了。

尹璋琦 ：

沒有同一個(gè)領(lǐng)域連續(xù)獲獎(jiǎng)兩次

北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授

很意外，因?yàn)槿ツ曛Z貝爾獎(jiǎng)剛剛給了宇宙學(xué)。過去二十年，諾貝爾獎(jiǎng)基本上是四個(gè)不同領(lǐng)域輪流拿（編者注：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要集中四個(gè)領(lǐng)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(gè)領(lǐng)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(rèn)為是可以拿諾貝爾獎(jiǎng)的成果。不過，直到LIGO發(fā)現(xiàn)引力波，以及天文學(xué)家觀察到了銀行中的黑洞，他們的理論才得到了直接驗(yàn)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(jiǎng)了。

（果殼：那今年發(fā)給彭羅斯，和霍金去世了有關(guān)嗎？會(huì)不會(huì)考慮到再不發(fā)就堅(jiān)持不了……）不知道??！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(shuō)《皇帝新腦》、《時(shí)空本性》。他的腦洞特別大，例如這個(gè)——

圖片來(lái)源丨尹璋琦

施郁：

諾獎(jiǎng)風(fēng)格發(fā)生變化，給更多理論學(xué)者

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授

我對(duì)今年的結(jié)果感到十分意外，一是今年再次頒給了天體物理相關(guān)的方向，打破了相鄰年份不頒給同一個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)象，更是因?yàn)?strong>感覺到諾獎(jiǎng)的風(fēng)格發(fā)生了變化：開始將獲獎(jiǎng)機(jī)會(huì)給到更多的理論學(xué)者，同時(shí)表明黑洞正式得到諾獎(jiǎng)的承認(rèn)。

彭羅斯獲獎(jiǎng)是因?yàn)樽C明了一個(gè)定理，而不是一個(gè)具體的問題，按照諾獎(jiǎng)的傳統(tǒng)，很難獲獎(jiǎng)，反而更適合“科學(xué)突破獎(jiǎng)”。史瓦西在廣義相對(duì)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(duì)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(jiǎng)還是令人驚訝。

另一半獎(jiǎng)項(xiàng)是關(guān)于超大質(zhì)量黑洞，這是近年來(lái)天文學(xué)與天體物理的重要成就，也與EHT的黑洞照片有關(guān)（那是位于M87星系中心的黑洞），這也是偏向于觀測(cè)方面。這剛好也是EHT下一個(gè)觀測(cè)目標(biāo)——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(xué)，將是物理學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一

南方科技大學(xué)物理系教授

今年物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給和黑洞、天體物理相關(guān)的工作，我覺得一點(diǎn)都不奇怪。

一方面，這說(shuō)明在過去幾十年和未來(lái)數(shù)十年，天體物理和宇宙學(xué)將會(huì)是物理學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一——如果不是唯一的話。另外一方面，也說(shuō)明過去幾十年，除了已經(jīng)頒發(fā)的物理學(xué)獎(jiǎng)，其他的物理學(xué)成就，相對(duì)來(lái)說(shuō)級(jí)別可能稍微輕一點(diǎn)，所以今天會(huì)把諾獎(jiǎng)?lì)C給這兩項(xiàng)研究。

同樣地，今年的獲獎(jiǎng)研究也非常重要。

彭羅斯在上世紀(jì)60年代，用純數(shù)學(xué)的角度來(lái)研究天體物理；后來(lái)和霍金一起證明，在一般的物理?xiàng)l件之下，黑洞也是存在的。也就是說(shuō)，不管情況如何，最終都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不可避免的數(shù)學(xué)的奇點(diǎn)，這個(gè)起點(diǎn)就是黑洞的形成。

而在起點(diǎn)之外，一定會(huì)有一個(gè)所謂的“視界”。在這個(gè)視界之內(nèi)，所有物質(zhì)（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(xué)家已經(jīng)知道，只要有足夠重的天體，就會(huì)無(wú)可避免地形成這種黑洞；而他們則用更加一般的數(shù)學(xué)物理方式，證明了這是不可避免會(huì)發(fā)生的。

根策爾和蓋茲的團(tuán)隊(duì)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(xué)的方法——也就是用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)在很小的區(qū)域里面，有些恒星的質(zhì)量超大，達(dá)到了數(shù)百萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量。后來(lái)比較確定的是，肯定是超過了400萬(wàn)倍的太陽(yáng)重量。

圖丨Pixabay

他們倆人的工作，跟彭羅斯的工作沒有關(guān)系；但從物理的脈絡(luò)來(lái)講，又有關(guān)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(wú)疑存在著的天體級(jí)別的黑洞。盡管在此之前，物理學(xué)家已經(jīng)看到了很多其他黑洞，但是證據(jù)都不如根策爾他們所發(fā)現(xiàn)的這個(gè)400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞這么證據(jù)充分。

茍利軍：

有點(diǎn)意外，但又意料之中

中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授

再次頒發(fā)給天文是有點(diǎn)意外，但是頒發(fā)給這幾位獲獎(jiǎng)?wù)哂质且饬现小?/p>

具體來(lái)說(shuō)，頒給羅杰·彭羅斯讓我有一點(diǎn)意外；但另兩位科學(xué)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(dāng)中是存在超大質(zhì)量黑洞的，兩位精確測(cè)量了銀河中心黑洞的質(zhì)量，在黑洞方面的成果已經(jīng)是領(lǐng)域內(nèi)所公認(rèn)的。而且，根策爾還在2008年獲得了邵逸夫獎(jiǎng)。

根策爾獲得2008年邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng) | The Shawprize

黑洞方面的研究有很多，其中之一是尋找中等質(zhì)量的黑洞，比如前一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)的142倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞。盡管我們聽說(shuō)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(shí)當(dāng)時(shí)觀測(cè)了兩個(gè)天體，一個(gè)是M87星系中央的黑洞，另一個(gè)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(gè)過程的難度有多高。

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

2019年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，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?！た迤潱ㄓ遥﹟ nobelprize.org

蔡一夫：

霍金真的是愿賭服輸，最后輸給了時(shí)間

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文系教授

我感到很意外，去年就是天文宇宙學(xué)，所以我今年壓根都沒有關(guān)注，畢竟哪會(huì)想到來(lái)個(gè)兩連擊。但從某種意義上說(shuō)，黑洞相關(guān)工作的重要性已經(jīng)不需要諾獎(jiǎng)來(lái)證明了……畢竟愛因斯坦拿諾獎(jiǎng)也不是靠他的相對(duì)論。

從1916年左右開始，黑洞的理論和觀測(cè)進(jìn)入到科學(xué)視野。那時(shí)候是史瓦西通過求解愛因斯坦剛剛新鮮出爐的廣義相對(duì)論，才得到現(xiàn)代科學(xué)所認(rèn)知的第一個(gè)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(rèn)為，黑洞只不過是物理理論碰巧在數(shù)學(xué)求解時(shí)偶爾得到的玩具，并非真實(shí)存在。在這之后，一直到上世紀(jì)六十年代，才有了第一個(gè)黑洞的間接觀測(cè)——天鵝座X1，這曾經(jīng)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(cè)，其科學(xué)意義早就超越了一兩個(gè)諾獎(jiǎng)本身，而是在現(xiàn)代科學(xué)研究中占據(jù)了核心地位。彭羅斯也是這一階段中的黑洞研究引領(lǐng)者，是他所提出的奇點(diǎn)定理將霍金在博士期間引入到了當(dāng)時(shí)宇宙學(xué)研究中最前沿的領(lǐng)域。只不過彭羅斯是個(gè)很嚴(yán)肅認(rèn)真的科研者，不愛參與賭博。

看到這個(gè)消息的第一時(shí)間，我的感慨是霍金真的是愿賭服輸……最后輸給了時(shí)間。

對(duì)于另外兩位觀測(cè)學(xué)家， 我個(gè)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(duì)銀河系中心黑洞進(jìn)行觀測(cè)。這與近些年EHT給黑洞拍照的最新進(jìn)展，也有著很大的關(guān)聯(lián)。

采訪編輯：吳歐，麥麥，劉可，光光