## 294 | 卓克：黑洞研究获得2020诺贝尔物理学奖

你好，这里是《邵恒头条》，我是邵恒。

这周二，2020年的诺贝尔物理学奖正式揭晓了。今年的奖项颁发给了三位科学家。他们都在黑洞研究的领域取得了重大的突破。

这次诺奖奖金的分配很有意思：奖金的一半，给了英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）。他的研究成果，是发现黑洞形成是爱因斯坦广义相对论的必然结果。

诺奖的另一半则平分给了德国科学家莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德里亚·格兹（Andrea Ghez）。这两位科学家发现，我们的银河系中央存在一个超大质量的黑洞。

这三位科学家的研究成果分别有什么意义、彼此之间又有什么关联呢？诺奖的奖金，为啥要按照这种方式分配？

带着这些问题，我请教了得到《科学思维课》的主理人卓克老师。他专门对今年的物理学诺奖做了详细的解读。在今天的《邵恒头条》中，我就来为你转述一下卓老师的分析。

提前说一句，今天的节目涉及物理学当中一些专业的概念，比较硬核。如果你怕听着费劲，建议你对照着文稿，边看边听。

从场方程到奇点

我们先从获得诺贝尔物理学奖奖金二分之一的彭罗斯说起。

彭罗斯你可能不熟悉，但是霍金你肯定听说过。彭罗斯获奖成果中的一部分，就是和霍金合作时做出来的。卓克老师告诉我，如果不是霍金在2018年去世的话，今年他也许终于能等到诺贝尔奖了。

卓老师介绍说，这一次获奖的彭罗斯的研究成果叫作“奇（ji）点定理”。我们可以很不严格地，把奇点理解成黑洞。而奇点定理，就是证明黑洞在什么条件下是必定存在的。当然，这是一个比较简化的、粗糙的说法。

严格来说，奇点是解爱因斯坦广义相对论场方程（简称场方程）中出现的某些特殊点，在这些特殊点上，时空的曲率是无限大的。相当于在这些特殊的点上，时空会无限地弯曲。

场方程不是一个公式，而是一组由10个方程组成的方程组。就像解数学题一样，一个方程组，我们总希望求出它的解。在中学的时候，你肯定记得这样一个方程，叫做ax²+bx+c=0。这个方程里面的x就有解，有一个公式叫做x =[-b±√(b²-4ac)]/2a。这个公式我们肯定都知道，都背过。对于爱因斯坦的方程组，我们也想套用一个公式，求出方程组里的未知数。不过，爱因斯坦的场方程太复杂，它涉及了一种非线性的微分方程。而这种方程目前没有一个统一的公式能够解出来。

为了解爱因斯坦的场方程，计算出奇点到底存不存在，一百多年来有N多物理学家和数学家费尽了心思。

比如，卓克老师跟我介绍说，1916年，在战壕里作战的德国物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）给出过史瓦西解。这个解对应的黑洞是个球对称的样子；后来，又有两位名叫利斯纳（Hans Reissner ）和诺兹陶姆（Gunnar Nordstrom）的科学家给出过他们的解。这些人名你可能觉得挺陌生的，不需要记住他们是谁。需要知道的是，他们给出的解对应的黑洞都不一样，有的是内外两层嵌套的黑洞，有的是既带电又旋转的黑洞。

那么你可能会好奇了，这些物理学家用同样的场方程计算黑洞的存在，为什么会给出这么多不同的答案来呢？

卓老师解释说，这些物理学家之所以能得到具体的解，是因为他们对场方程的一些条件做了不同类型的简化。这些简化条件，简单来说就是对于我们的宇宙的假设。比如说，一个假设是，我们这个宇宙不是全空的，一定至少存在一点点能量或者物质。那你就可以理解了，在解场方程的时候做不同的条件简化，自然就会在计算过程里，对黑洞的存在得出不同的结论来。

爱因斯坦本人在世的时候，虽然很关注广义相对论的进展，但是很不喜欢黑洞这种怪物。他也不相信拿自己的场方程算来算去，就能算出好几种引力无限大、光都逃不出去的黑洞。

更何况我们之前提到的这些物理学家了。前面我们说了，他们在计算过程中，还使用了简化手段。卓老师认为，那个意思好像在说，场方程在我设定的特殊条件下是存在黑洞的。也就是说，其实并不能从数学理论上完全证明黑洞的存在。

这就是为什么，直到爱因斯坦去世，黑洞也只是停留在假设阶段。

彭罗斯的奇点定理

接下来，彭罗斯就要出场了。彭罗斯干的是什么事呢？

卓克老师说，彭罗斯的出现，把特殊假设里才存在的黑洞大大推进了一步——他用更高级别的手段证明了，场方程里必定、肯定、确定存在黑洞。当然，准确地说，应该是存在奇点，因为奇点完全是数学化的。

彭罗斯之所以能取得突破，和他纯数学研究的背景是分不开的。他是30多岁才从数学领域跨到物理领域的，钻研的就是对数学水平要求最高的广义相对论。彭罗斯解场方程的方法，和之前的物理学家不同，他单独开创了一套数学工具——扭量理论（Twistor Theory）。这个理论可以把广义相对论和量子理论结合起来。

当他把广义相对论和量子场论中的一些重要表达，改写成扭量的形式之后，出现了一个很神奇的事。很多几个星期才能算出来的过程，几页纸就能算完了。通过扭量理论，彭罗斯和霍金证明了奇点定理。那他们得出来的结论是什么呢？当时空满足以下4个条件时，必定存在奇点。哪4个条件呢？

其实，这四个条件你根本不必弄懂，也很难弄懂，每个字背后都是高难度数学推导。但是，你如果对它特别感兴趣，可以在视频平台搜索“扭量理论”几个字。你大概率会找到20多年前彭罗斯在牛津大学亲自做的科普介绍。

总之，我们需要知道的就是，彭罗斯取得的最大突破，在于他发明了一套数学工具。这套工具证明了，满足场方程的那个时空里，必定存在奇点，或者说黑洞。而如果场方程真的能涵盖我们现实中的宇宙的话，黑洞就必然存在于现实世界里。这就是彭罗斯的贡献。当然了，他的贡献仍然是在理论物理学领域。

类星体是巨型黑洞

当伟大的数学理论证明完毕后，实验物理学家们就有得忙活了。卓老师告诉我，实验物理学家的工作，是去寻找现实中的黑洞。这就要提到今年获奖的另外两位科学家，莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和安德里亚·格兹（Andrea Ghez）了。

根泽尔和格兹各自领导了一组天文学家。这两组天文学家从90年代起，使用射电望远镜观测银河系的中心区域。那里距离太阳系有2.6万光年的距离。可是，要一眼望穿到银河的中心可不是那么容易的事。

那里距离我们非常遥远，而且又有大量星际尘埃、气体构成的云团都会干扰观测结果。更何况他们的望远镜是在地球表面，而不是在太空中，还有大气层的干扰。总之，就是难度非常的大。

但这两个小组厉害的地方就在于，他们都利用杰出的手段，精准校正了畸形变化的图像。最终，他们得到了高度一致的结果，就是，银河心中心存在一个巨型黑洞。这个黑洞的质量是太阳的400万倍。而且他们的结果还互相印证。

那你可能会好奇，黑洞既然连光都不放过，怎么可能由射电望远镜观测到呢？

这就要说到这两个小组运用的一个巧妙手段了。

卓克老师介绍说，其实两组科学家是通过观测银河中心附近的一颗星体，看它的轨道和转速，才判断出它附近一定存在一个质量巨大的黑洞的。这颗星体叫做人马座A* 。

两组科学家发现了一个奇怪的现象。那就是，人马座A*，这个大质量的星体绕着一个很小的区域高速旋转。而且更让人困惑的是，这个区域的中央又看不到什么东西。所以，科学家们推断，那里一定有个质量极大的黑洞，是它拽着其他星体疯狂转动的。而且他们还判断说，不仅我们的银河系是这样，很可能每一个星系的中心都有一个巨型黑洞存在。

所以卓克老师认为，这两个科学家之所以获奖，是因为他们用了精巧的处理手段，一眼望穿银河心，观测到了一类质量极大的黑洞。

诺奖的意义

解读完今年的物理学诺奖之后，卓老师告诉我，他觉得怎么看怎么觉得，后两位实验物理学家更像是今年物理学诺奖的配角。这一点，他认为从奖金分配上就能看出来——彭罗斯分了奖项的1/2，另外两人各获得奖项的1/4。

卓克老师说，这样的比重还是挺特别的。因为，诺贝尔奖历来很少青睐纯理论性的成果。而彭罗斯做的就是纯理论性的研究。那理论物理学和实验物理学家的工作有什么区别呢？区别在于，实验物理学家的工作总是有大方向的。这个大方向就是把某个理论证伪。可理论物理学家的研究方向就不一样了。他们的方向是很模糊的。可以说，他们对数学的审美就是方向。甚至也可以说，他们其实没有所谓的具体方向。在卓克老师看来，理论物理学家注重的是一种超越现实的，对数学之美的追求。你也别小看这些追求，因为其实很多科技创新都来自于像诺奖得主这样的，谈不上方向的审美感。

好了，卓克老师关于物理学诺贝尔奖的解读，我就为你转述完了。从10月5号开始，诺贝尔奖各个奖项都陆续开奖了。在知识城邦里，还有好几位老师在跟进进展，并且第一时间进行奖项的解读。王立铭老师，解读了今年的诺贝尔生理学或医学奖。孙亚飞老师还会在今天解读诺贝尔化学奖。如果你想持续关注这个话题，欢迎你到城邦里搜索这几位老师的主页，关注他们。

结束之前，还有一个好消息要宣布。假如你一直对于科技或者科学领域的重大进展特别感兴趣，那就敬请期待了。因为，卓克老师的年度日更专栏，《科技参考》，在10月19号就要正式上线了。到时候，别忘了第一时间去看看。

好了，这就是今天的《邵恒头条》。我是邵恒，我们明天见。

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