2022年8月27日，"科普中國-我是科學家"第39期現場，中科院粒子天體物理重點實驗室主任、中科院高能物理研究所研究員、"慧眼"天文衛星首席科學家張雙南帶來演講《4年3次‘蹭’到物理學諾獎，天文學做對了啥？》。
張雙南演講視頻：
以下為張雙南演講實錄（上）：
各位朋友大家下午好，我今天要給大家分享的題目是《4年3次"蹭"到物理學諾獎，天文學做對了啥？》。為什麼說蹭到呢？因為諾貝爾先生生前不太喜歡天文學，所以他設立諾貝爾獎的時候沒有設立天文學獎。天文學家要想獲得諾獎，隻能通過蹭别的學科，蹭得最多就是物理學。
天文學家到底是做什麼的？我列出七個可能的回答。
1.研究星座和天象：比如算命
2.觀測天空，預報天氣
3.披着軍大衣在野外仰望星空，拍漂亮的照片
4.研究相對論和黑洞理論：比如愛因斯坦和霍金
5.探索月球和火星
6.尋找外星人
7.是蹭别人的諾獎的
有人認為天文學家的工作是觀測星座和天象，比如算命。也有人認為天文學家能預報天氣，去年的諾貝爾物理學獎可就是給預報天氣的科學家團隊，其中有一位還是天文學家。還有不少人認為天文學家的工作是拍漂亮的星空照片。這确實是我們幹的事，隻不過我們不一定要披着軍大衣在野外拍，我們用自己研制的望遠鏡來拍。也有人認為天文學家的工作是研究相對論和黑洞理論。我特别想做這個事情，但做得還不太好。
探索月球和火星究竟是不是天文學家的研究範疇？這個問題前兩天還在讨論。最近科學院在做一些事情，一個實驗講座。講座中，有人說這不是天文學家要幹的事情，我說堅決支持天文學家幹這個事情。這件事太重要了，天文學家也要研究。也有很多人認為尋找外星人是天文學家幹的事情。當然，在場的大家都同意天文學家的工作是蹭别人的諾獎。
2020年，可靠地預言黑洞形成和發現黑洞存在獲得諾獎 | www.nobelprize.org
2020年的諾貝爾物理學獎頒給了一位可靠地預言黑洞形成并發現黑洞存在的科學家，你可以說他是天文學家，也可以說他是物理學家，還可以說他是數學家，他确實是英國一所非常著名的大學的數學系教授。
近幾年，我幾乎每年都會收到邀約，參加諾貝爾物理學獎頒獎直播解說。除了2017年我接受了最早邀請我的一家平台外，其他的我也都拒絕了。拒絕的原因和"蹭"非常有關系。
諾貝爾先生生前沒有設立諾貝爾天文學獎，所以天文學家想要獲得諾獎就要靠"蹭"别的學科。蹭得最多的是物理學，偶爾也蹭化學的。但諾獎畢竟是别的學科的，偶爾蹭一個還可以，總是這樣是不行的。以往的經驗告訴我們，差不多十來年，天文學家能夠成功地蹭到一次諾貝爾物理學獎。
2017年，我比較确信，天文學能蹭到諾獎，所以我參加了一場諾貝爾物理學獎直播。果然，天文學獲得了那一年的諾獎。既然蹭到2017年的諾貝爾物理學獎了，那下一次要等到猴年馬月。所以，我拒絕了之後幾年的諾貝爾物理學獎直播邀約。如果不是天文學的研究獲獎，我坐在直播間會很尴尬。
但是，2019年，運氣不錯，天文學又得了諾貝爾物理學獎。2020年，我仍舊拒絕了所有諾貝爾物理學獎直播的邀請。頒獎時，我正和一個朋友在一家非常小的餐館喝點小酒。手機變得非常熱鬧。黑洞的研究得諾貝爾物理學獎了。去年，也就是2021年，我先不說到底是誰獲得諾貝爾物理學獎，到最後再揭開這個謎底。
2017、2018、2019、2021年四次物理學諾獎｜www.nobelprize.org
總而言之，即使是我們這個行當的人，也沒有預料到天文學的研究竟然會這麼頻繁地蹭到諾貝爾物理學獎。
到底天文學家、天文學做了什麼事情使得天文學的研究頻繁地蹭到諾貝爾物理學獎？
先回到2017年，引力波的研究獲得了諾貝爾物理學獎。引力波和萬有引力是有關系的。根據的牛頓的萬有引力定律，任何兩個物體之間都存在着引力。兩個物體之間的距離一旦改變，這個引力就會改變。當我在演講的地方揮手時，我和台下坐着的觀衆之間的距離就會改變。如果觀衆對引力的感受非常敏感，就會立刻感受到我的手的引力的變化，然後會和我問好，說"張老師好！"
但問題在于，我的手和宇宙中所有天體之間的距離都會改變。宇宙中的所有天體都會說"張老師好"嗎？
愛因斯坦會說，這不科學，我都做不到，張老師憑什麼能做到這一點。顯然這有問題。
根據牛頓的萬有引力定律，天體說"張老師好"是可行的，但是愛因斯坦在1905年提出狹義相對論理論時，就已經明确說了，任何信息的傳遞速度不能超過光速。張老師一揮手的這個引力是不可能瞬時傳遍宇宙的。
時空彎曲 | NASA / public domain
根據牛頓的萬有引力定律，地球和太陽之間有一根繩子，這個繩子就是萬有引力。所以地球跑不了，隻能被太陽拉着在那裡轉圈。但是，愛因斯坦認為這個繩子是不能存在的。
地球為什麼還繞着太陽轉圈？
愛因斯坦認為是由于太陽的質量很大，導緻它周圍的空間彎曲了。地球在彎曲的空間裡運動時隻能拐彎。空間彎曲了隻能拐彎。
就好像我們在高速公路上開車，高速公路前面需要拐彎。那天，我們的脾氣恰好不好，又要趕路，說，我就是不拐彎，就要直着跑。那這肯定不是一個好結局。地球也"理解"這一點，所以地球會在彎曲的空間裡拐彎。這就是地球繞着太陽轉的原因，太陽周圍的空間彎曲了。
愛因斯坦在1915年想到了這個問題，提出了廣義相對論理論。第二年，1916年，他就認識到如果是有這樣兩個天體，每一個都使它周圍的空間扭曲了，這兩個天體相互繞轉就會使得彎曲的空間向外傳遞，這個傳遞出去的東西就是引力波。愛因斯坦在1916年就認識到必須要有引力波。
引力波是彎曲時空中的漣漪｜待确認圖片來源
那引力波能不能被探測到？
愛因斯坦同時又做出了一個很重要的預言，他說人類永遠也不可能探測到引力波。為什麼？
因為愛因斯坦做了計算，他發現這樣的空間扭曲從遠處的天體傳到地球的時候，這個扭曲的空間已經變得非常非常小了。我們沒有辦法感受到這個扭曲的空間。換句話說，愛因斯坦認為人類永遠也不可能有能夠精确地探索到空間的扭曲的技術。
然而，科學家有一個非常"惡劣"的毛病，就是打别的科學家的臉。科學家越是牛，大家就越想打他的臉。打愛因斯坦的臉無疑是最過瘾的事情。
所以愛因斯坦說引力波存在但探測不到，科學家就要想盡一切辦法去探測引力波，去打愛因斯坦的臉。比想打愛因斯坦的臉還要"惡毒"的是，要用一個非常狠的辦法去打愛因斯坦的臉。這個辦法是什麼呢？
用激光幹涉的辦法來探測引力波。
激光，是愛因斯坦提出來的激光理論。所以，就是用愛因斯坦的矛攻愛因斯坦的盾。從上個世紀八十年代起，就有一批科學家開始建造激光幹涉引力波天文台（LIGO）。
激光幹涉引力波天文台LIGO探測引力波 | LIGO
在沙漠裡建兩個四公裡長的真空管道，動畫中顯示是當引力波到達地球的時候，空間的扭曲就等于真空管道的長度發生的變化，一個變長的同時，另一個就變短。之後，激光在兩個真空管道裡面分别來回地反射，通過反射之後，來讓這兩束反射的激光進行幹涉。這是激光重要的性質。根據愛因斯坦提出的激光理論，必然會有這樣的結果。通過這樣的幹涉，就能夠測量出來長度的變化。如果能夠成功地測量出來，那麼就能打愛因斯坦的臉了。
然而這項事并不容易。從上世紀八十年代開始，差不多1000個人經過了30年的努力，終于在2015年，用世界上最精密的測量儀器探測到了引力波。
這個儀器精密到什麼程度？能夠測量在不到一秒鐘的時間裡，那個四公裡的長度發生10-18次方米的變化。
10-18米是什麼意思？
LIGO是地球上最精密的測量儀器｜圖中照片來自陳雁北
頭發絲的直徑大約在10-6米這個數量級，肉眼能看到頭發絲的粗細，比頭發絲還要細的，我們的眼睛可能都看不到了。比頭發絲直徑小一萬倍的是氫原子的大小。然而氫原子内部是非常空的。一直到氫原子正中心的地方還要再小10萬倍，才是氫原子核的大小。但氫原子核還是太大了。氫原子核的千分之一是10-18米。
大家可以想象一下，四公裡長的真空管道，這個真空管道的長度變化了一個原子核的千分之一，而且這個變化發生在不到一秒的時間内。測量到它所要求的技術的精度是難以想象的。所以愛因斯坦才會在他認為引力波存在的同時，預言人類永遠不可能建造出來這麼精密的測量儀器。
科學家終于還是建造出了這個儀器。在2016年，我們打臉愛因斯坦成功了。當然，他們說的是，"WE DID IT!"翻譯成"我們探測到了引力波"，實際上原話的"WE DID IT!"也是在說"我們打臉成功了！"
引力波是什麼 | LIGO
視頻中兩個黑洞相互繞轉，産生綠色的波紋就是引力波，最終經過了13億年的時間，終于傳到了激光幹涉引力波天文台，被探測到了。
2016年，科學家宣布探測到了引力波。2017年諾獎直播，主持人讓我預測什麼研究會得諾貝爾物理學獎。我說，一定是引力波，如果不是就沒有天理。
2019年和2020年的諾貝爾物理學獎都與黑洞有關，我們跳過2019年，直接講2020年諾獎。2020年的諾貝爾物理學獎的其中一半給了一位稱他為天文學家、物理學家，或數學家都可以的科學家。總而言之，天文學蹭了那一年一半的諾貝爾物理學獎。
我們簡單地了解一下這位獲獎的老先生。讓他獲獎的論文寫于1965，獲獎是因為他發現黑洞形成是廣義相對論的一個可靠的預言。所以，要想獲得諾獎不僅僅是要做出驚天動地的科學研究成果，身體也得相當好。從1965年到2020年經過了多少年，在這數十年中，每年都有可能獲諾獎，所以還要堅持鍛煉身體，堅持到最終能獲獎的那一天。
2.5頁的諾貝爾物理學獎論文：彭羅斯Penrose 1965 PRL
彭羅斯的這篇論文不長，如果把參考文獻去掉大概隻有2頁。短短一篇論文，怎麼獲得的諾貝爾物理學獎？這篇論文裡最重要的就在這張圖裡：
一張圖，一段話：俘獲面（trapped surface）徹底俘獲了大家！
畫中的黑的圈就是俘獲面（trapped surface）。這個概念怎麼來的？
在彭羅斯寫這篇論文之前，學術界已經知道宇宙當中很可能存在黑洞，而且從理論上說，也應該是有的。因為當時科學家已經計算出在廣義相對論裡存在着一個奇點。又有科學家已經證明了如果有球對稱的質量在引力的作用之下逐漸地聚成一團，最後也會形成黑洞。
然而他是假設了球對稱，我們知道在真實的宇宙中是不會有絕對的球對稱的。彭羅斯的這篇論文就證明了，即使是在一般的情況下，在黑洞的視界裡也會有俘獲面這個東西。俘獲面必須形成，即便不是球對稱。物質一旦越過了俘獲面，就隻能不可阻擋地到達中心的奇點，奇點就是自然地會存在。
由于彭羅斯的這項工作，學術界接受了奇點在一般情況下能夠自然地形成的觀點。既然奇點能夠自然地形成，作為做天文觀測、研究天文望遠鏡的人，當我們把天文望遠鏡放到太空對黑洞進行觀測時，隻要通過我們的觀測能夠找到足夠緻密的天體，就等效于找到了奇點，除非廣義相對論失效。換句話說，如果廣義相對論理論是正确的，我們找到的這些足夠緻密，或者說質量足夠大、占據的空間足夠小的天體，就應該是黑洞了。
這篇論文是黑洞理論研究的奠基性的論文。既然如此，1965年寫的論文，為什麼到2020年才獲得諾貝爾物理學獎？就是為了測試彭羅斯先生鍛煉身體意志有多麼堅強嗎？并不是這樣。
1965年的論文為什麼2020年才獲獎？
上圖是彭羅斯這一篇文章的被引用數量的統計圖，橫軸是時間，從他發表論文開始 1965年開始，一直到最近。縱軸是每年有多少篇論文引用了彭羅斯的這篇論文。
直到本世紀的發端，這篇論文的引用一直是不溫不火；但是從本世紀開始，對這篇論文的引用數量就飛速地上升、指數地上升。這是由于，進入本世紀後，對黑洞的觀測研究取得了非常大的進展。科學家為了理解這些觀測的現象，開始大量地引用這篇論文。這篇論文的影響力開始發揮出來。這篇論文以它的影響力征服了諾獎委員會。當然，前提是他的身體要足夠好。
在獲得2020年諾貝爾物理學獎後，彭羅斯才被更廣泛的人所知曉，以前在學術圈外，幾乎沒有人知道他是誰。提到研究黑洞的科學家，人們會想到霍金。也會有人說，如果霍金在世，這次諾貝爾物理學獎應該頒給他，而不是彭羅斯。彭羅斯不過是因為和霍金一起發表了一篇重要的論文才出名的。
左：彭羅斯 | Wikimedia Commons，Biswarup Ganguly / CC BY 3.0 （https://creativecommons.org/licenses/by/3.0）
右：霍金 | Wikimedia Commons，elhombredenegro / CC BY 2.0 （https://creativecommons.org/licenses/by/2.0）
霍金-彭羅斯奇異性定理
如果霍金在世，真的會得諾獎嗎？霍金跟彭羅斯合作寫的這篇論文叫做《奇異性定理》（The singularities of gravitational collapse and cosmology）。簡單地說，這篇文章提出了一個新定理。但這個定理在很大程度上包括并推廣了先前已知的結果。而文章推廣的便是1965年彭羅斯發表的那篇關于俘獲面的論文。換句話說，這篇論文是對于彭羅斯那篇論文的推廣，所以不是最原創性的論文。盡管這篇論文提出了一個适用範圍更廣的定理，但彭羅斯那篇文章的原創性更強。霍金-彭羅斯定理原創性不夠強，僅靠這個研究應該不能獲得諾獎。所以，我認為既使是霍金在世，2020年的諾貝爾物理學獎也不會頒給霍金，仍然會頒給彭羅斯。
2017年諾貝爾物理學獎直播我說過，引力波不得獎就沒有天理，但是霍金不會獲獎，永遠不會。霍金一生做出的成就很多，特别出衆的有三個。其中第三大科學成就就是黑洞的面積不減定理。前面看到的2017年諾貝爾物理學獎引力波演示視頻展示出，兩個黑洞并合在一起，最後變成一個黑洞産生引力波。那個發現也驗證了霍金的第三大科學成就，面積不減定理。彼時，霍金先生的身體已經很不穩定了，恰好他的一個很重要的科學成就得到了觀測的驗證，有人說諾獎委員會應該在這一年給他頒發諾獎。
為什麼我會說霍金不僅那一年不會獲得諾貝爾物理學獎，永遠也不會獲得諾貝爾物理學獎呢？2020年諾獎獲得者的研究其實和霍金第二大科學成就有關。他的第二大科學成就就是和彭羅斯提出的奇異性定理。上面說道，奇異性定理的提出雖然适用範圍更廣，但原創性不足，因此，即使2020年的諾貝爾物理學獎和黑洞研究有關，但得獎者也不會是霍金。
不僅如此，參考愛因斯坦和諾貝爾獎的奇葩過往，我也有理由推測霍金先生永遠也不會獲得諾貝爾物理學獎。
1922年諾獎委員會給愛因斯坦發的電報說，愛因斯坦先生，恭喜您獲得了去年的諾獎。當時，愛因斯坦正在前往亞洲旅行的船上。
瑞典諾獎委員會1922年11月宣布愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理學獎 | www.nobelprize.org
告知愛因斯坦獲得去年的諾獎，這件事本身已經很奇葩了。一般來講，都是每年的十月份，宣布當年的諾獎花落誰家。在愛因斯坦之前，還沒有發生過在一年諾獎上同時宣布當年和去年的得主。1921年，諾貝爾物理學獎沒有授予任何人，諾獎委員會認為相對論理論還沒有得到驗證，至少獲獎委員會是這麼認為的。所以愛因斯坦先生不應該獲得諾貝爾物理學獎。然而，1922年諾獎提名時，提名愛因斯坦的人是空前的多。諾獎委員會深深地感受到了危機，科學界恐怕要造反了。
諾獎委員會從1910年開始，每年都拒絕給當時可以說是最著名的物理學家愛因斯坦諾獎。已經拒絕12年了，再不給，諾獎委員會恐怕不好辦。他們想了一個辦法，将去年的諾貝爾物理學獎頒給愛因斯坦諾獎，而且是獎勵愛因斯坦對光電效應的貢獻。這是在告訴愛因斯坦，對不起，頒給你諾獎不是因為你的相對論的成就。今天我們回頭看，和其他一系列諾貝爾物理學獎相比，光電效應毫不遜色。它是量子力學的一個奠基性的理論。
然而愛因斯坦非常不開心，諾獎委員會并沒有認可他的相對論理論，雖然他認為相對論應該獲得諾獎。所以他沒有出席頒獎儀式，當然也沒有發表獲獎感言。但愛因斯坦私下領了獎金支票并兌現，這讓諾獎委員會格外不開心。
事實上，愛因斯坦是有苦衷的，他早已簽了一個協定，要求他必須獲得諾獎，而且這筆獎金必須要給某某人。而且，愛因斯坦明白，如果他拒絕領獎，諾獎委員會絕不會給他第二次機會。因此，為了不違背協定，雖不情願，愛因斯坦也私下取了支票去兌現了。通過協商，愛因斯坦答應在一次諾獎重要的活動上發表獲獎感言，但他發言的題目是《相對論的意義》，而不是關于光電效應的。
對于一些科學家而言，他們把學術聲譽看得比獲得諾獎還要更重。正如愛因斯坦希望相對論得到認可，霍金也希望他認為自己做的最重要的科學成就獲得諾獎，所以諾獎不會給霍金授獎。關于黑洞的研究并不是霍金最偉大的科學成就，霍金輻射是霍金最偉大的科學成就。
我們平時認為的真空就是真的空，什麼都沒有。而什麼都沒有，就是能量等于零。零是不會發生變化的。這就違反了一個重要的科學原理。量子力學告訴我們，任何事情都不能絕對确定，所以它不可能一直是零。那麼為了不違反量子的不确定原理，隻能求變。隻好從真空裡借一點能量出來。一會兒能量是負的，一會兒能量是正的，平均起來是零。
根據愛因斯坦提出的質能關系，質量和能量是等效的，既然能夠"變"出能量，這個能量就會變成（産生）正反粒子對，就等于從真空裡"借"了一點能量出來。為了不違反能量守恒定律，一對正反粒子還會結合在一起（湮滅），從而産生能量，把"借"來的能量還給真空。所以真空裡不斷有正反粒子對産生、湮滅。真空并不是什麼都沒有，而是一直在折騰，這就叫做真空漲落效應。我的一個研究目标就是造衛星，精确地探測真空漲落效應。
霍金先生突發奇想，如果在真空裡搞一個黑洞會發生什麼？産生的正反粒子對，在黑洞附近不斷地"偷"能量。但總有某個粒子會掉入黑洞中的，而它的"伴侶"，另外一個粒子，本來想找回夥伴，一同湮滅将能量"還"回去，如果找不到，就等于白白地從真空裡偷了能量，變成了"小偷"。小偷為了不被物理定律這個警察抓住，就得逃離黑洞。從遠處看起來就不斷地有"失去了伴侶"的真空漲落出來的粒子往外跑，這就是霍金輻射。霍金輻射既滿足了量子力學的不确定原理，又滿足了真空的平衡能量等于零，又滿足了物質掉到黑洞裡不能逃出來……這些性質全部都能滿足，天衣無縫，所以應該是對的。
應該是對的不等于就是對的，一個科學理論必須要得到實驗和觀測的驗證後，才能被接受。霍金提出霍金輻射後，科學家們做了各種各樣的實驗，投入了很多資金，但是既不能證明霍金輻射存在，也不能證明霍金輻射不存在。霍金生前有記者采他，說霍金先生你那麼有名氣，但是卻沒有獲得諾貝爾獎。記者的意思是說霍金也沒有多厲害。霍金對此不屑一顧，說那是因為霍金輻射理論太厲害了，想驗證這個理論的人水平不行。換句話說，霍金水平太高，高到了沒法獲得諾獎。我們做實驗的人可能還要再做20到30年，才有可能發現霍金輻射。
（未完待續……）
演講嘉賓張雙南：《4年3次‘蹭’到物理學諾獎，天文學做對了啥？》｜拍攝：Vphoto
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如果大家想了解更多引力波、黑洞的内容，歡迎來看張雙南老師的《極簡天文課》。
張雙南供圖
如果大家還對科學與美學感興趣，可以期待一下張老師即将出版的一本書《科學方法與美學》。
策劃/監制：吳歐
作者：張雙南
