2020 诺贝尔物理学奖公布，“黑洞奖”颁奖词暗藏玄机
今天继续来给大家讲 2020 年的诺贝尔奖，今年各种意外很多，就连诺贝尔物理学奖也不例外。今年的物理学奖的奖金大约相当于 760 万人民币，其中一半发给了英国科学家彭罗斯，理由是他计算出黑洞的形成是广义相对论的预言；另外一半奖金由德国人赖因哈德 ·根泽尔和美国人安德里亚· 盖兹二人平分，表彰他们在银河系中心发现了一个超大质量的紧凑型物体。
从左到右：彭罗斯、根泽尔、盖兹
“发现了一个超大质量的紧凑型物体”这句话说得很严谨，如果是我们做科普的话，一般都会直接说发现了银河系中心黑洞。
说实话，这次颁奖让业内人士也是颇感意外。其实，我看到罗杰·彭罗斯这个名字的时候，确实也有点儿兴奋，终于又在诺奖名单上看到熟人了。我在以前的节目中没少提到他，他是科普节目的常客，霍金在书里没少提到过他，他写的最出名的书是《皇帝新脑》和《通向实在之路》，也可以算是一位科普作家。彭罗斯原本是个数学家，后来转向物理方面，他最大的贡献就是与霍金合作，计算出奇点在黑洞中的形成是必然的。
我给大家再简单介绍一下彭罗斯的贡献到底是咋回事。我们都知道，爱因斯坦提出了广义相对论。按照广义相对论，引力就是时空的弯曲。在广义相对论发表没多久，德国科学家史瓦西在参军当炮兵上尉期间，计算出了爱因斯坦场方程的一个特殊的解，这个解存在一个无法消除的奇点，奇点外面有一层视界面，这就是最经典的史瓦西黑洞。
不过，当时的人们可不敢相信我们的宇宙中真的存在这样奇怪的天体。要知道，爱因斯坦的场方程可以解出许多奇奇怪怪的解，看上去很像是一种数学游戏。按照早期科学家们的认知，恒星想要塌缩成黑洞需要的条件极为苛刻，有点像引爆原子弹那样，所有物质必须要同一时间内均匀压缩到一个极小的范围内，想要让这种步调完全一致，这就要求恒星必须具备极其完美的对称性，但是在自然中，其实并不存在完美对称的天体。
但是，彭罗斯和霍金用数学改变了早期科学家们的观念，他们给出了一个严格的计算过程，他们一起用数学证明，即便是在宽泛的条件下，大质量恒星不需要完美对称，我们能观测到的大质量恒星，基本都满足条件，在塌缩的过程中，不对称性会消除，最终必定会塌缩成一个奇点。这个证明，在学术界被称为“奇点定理”。
不过说实话，他们的计算过程据说非常的复杂难懂，我是没有勇气去看那些数学证明的，每次仰望数学大神，我都会觉得自己跟傻子一样。奇点是数学中的一个概念，黑洞离不开它，同样，宇宙大爆炸也离不开奇点这个概念。所以，这个理论的现实意义非常明显，起码来讲，这说明我们这个宇宙的的确确存在形成黑洞的客观条件的。
当然，彭罗斯和霍金他们对奇点定理的研究是一个纯理论计算，按照诺奖多年积累的习惯，诺奖很少颁发给纯理论贡献。爱因斯坦当年获得物理学奖也不是因为相对论，而是因为光电效应。诺奖委员会的谨慎是可以理解的，尽管在当时爱丁顿已经通过对日食的观测，拿到了支持广义相对论的有力证据，尽管广义相对论计算水星进动和观测值非常符合，但是负责评审的人显然还是不够放心的，他们怕万一还有别的理论也能完美地解释这一切，那该怎么办呢？诺奖可没有办法 ctrl+z 啊。所以，诺奖委员会的心态就是让子弹飞一会儿，沉住气，让时间检验一切。
所以，这次彭罗斯获奖，稍稍带给大家一点不一样的感觉，难道以后的风向要变？搞弦理论的爱德华·威滕有希望吗？是不是霍金的去世打动了某些人？
还是前一阵子黑洞照片的问世已经让评委们信心十足了？这些恐怕就要等到 50 年后诺奖档案解密，才能知道真相了。不过我觉得科学界的很多大佬，一定要保重身体啊，诺奖很可能在等着你们！杨振宁先生的规范场理论完全值得再拿一个诺奖。
说完了彭罗斯，我们再来讲另外两位获奖者。
大家知道，黑洞完全不发光，即便是存在霍金辐射，但是太微弱，以现在的技术能力是根本检测不到的。从这个意义上讲，我们其实没办法直接“看到”黑洞，只能通过观测那些只有用黑洞才能解释的现象来证实黑洞的存在。
而历史上第一份最强有力的证据就是本次诺奖得主根泽尔和盖兹发现的。这两位科学家的主攻方向是天文观测。他们各自带领了一个团队，在银河系中心发现了不同寻常的现象。
很早的时候，天文学家们就注意到银河系中心会发出比较强的无线电波。这个射电源就被称为A*，这么看来，银河系的中心应该隐藏着某种秘密。要观察银心，地球的位置其实很不利，因为我们要穿过银河系的半个盘子才能看到核心，一路上的气体尘埃都是观察的障碍。那么该怎么办呢？可见光不行，只能依靠红外线。在红外和微波波段，尘埃和气体的遮挡作用就不那么明显了。
从左到右：用红外光、可见光和 X 射线观测描绘出的银河系图像
根泽尔是德国马克斯普朗克外星物理研究所的所长，他在亚毫米波和红外线天文学方面有很大的贡献。他带领的团队观察到有一些恒星在绕着银河中心很小的一块区域疯狂地绕圈圈，但是中间却空无一物，看不见任何东西。
根据周围恒星的绕行轨迹，可以计算中心天体的质量，一算之下，吓一跳，银心的那个看不见的天体竟然达到了惊人的 410 万倍太阳质量。这么巨大的质量，在望远镜里却什么看不见，那这能是什么东西呢？
另一位获奖的盖兹是一位女天文学家，她也是第 4 个获得诺贝尔物理学奖的女性。她在红外线天文观测以及自适应光学方面都有贡献。在根泽尔的基础之上，她把观察精度大大推进了一步。因为她有办法抵消地球大气层对观察的干扰。盖兹可以调动凯克天文台的两台口径 10 米的大望远镜对银河中心进行联合观测，凯克望远镜是具有自适应光学功能的，专门用于抵消大气造成的扭曲和畸变。
她经过多年的数据积累，再根据周围的恒星轨道对这个天体尺寸进行估算，她的结论是，这个天体的平面大小，大约相当于天王星绕着太阳画出的那个圆的大小。这个大小听上去很大，可是相对于它的质量来说，其实是很小的，不是黑洞又是什么呢？
不过，且慢，按照诺奖委员会的颁奖词，授奖原因是因为他们发现了银河系中心的“超大质量的紧凑物体”，没说是黑洞。这有些奇怪啊，为什么前面提到彭罗斯的贡献，大大方方地讲黑洞，怎么后边就不肯提了，换了个“超大质量的紧凑物体”这种非常冗长严谨的说法，为什么呢？
我想啊，是因为理论物理学家和搞实际观测的科学家是两个不同的专业，标准是不一样的。对彭罗斯来说，黑洞不过是爱因斯坦场方程的一个特殊的解，是个理论上的假说。黑洞的概念非常清晰明了，只要用质量、电荷、角动量这三个基本参数就能描述了。但是，搞观测的天文学家们到底看到了什么？准确地说，他们观察到了一个这样的东西：它对周围的天体有强大的引力，而且自身体积相对庞大的质量来说非常小，这个天体乌漆麻黑，不发光也不反光。
按理说，我们实在是想不到还有什么样的物理过程可以在如此高的密度之下强撑着不塌缩成黑洞。这种天体只可能是理论物理学家描述的那个黑洞。但是，有没有可能存在黑洞以外的解释呢？可能吗？不可能吗？谁又敢拍胸脯打包票呢？
经常有人说科学很傲慢，但是，你看，诺奖委员会的那些老头可谨慎了，一点也不傲慢，哪怕是万分之一的可能性，他们也不敢把话给说满了。
其实，从逻辑上讲，我们并没有可能 100% 地去证实任何一个物理理论，只有证伪一个理论在逻辑上可以做到。
名侦探柯南的那句台词是：“真相永远只有一个”。但是在科学上，这句话可能需要改为“真相后面或许还有真相”。
所以，大家要理解一下诺奖委员会老头子们的严谨态度。
这次诺奖颁发给这 3 个人的理由是什么呢？要知道，最近这几年，天文领域颁奖的比例很高，而研究粒子物理的科学家们眼巴巴的就是很难轮上。我想，或许有一个很大的原因是我们在 2019 年拍到了 M87 星系中心的那颗超大质量黑洞的照片。这就好像我们虽然看不见气球里的空气，但是我们能看到鼓起来的气球皮一样。虽然我们无法直接看到黑洞，但是看到了周围的吸积盘，吸积盘的中间确实有个洞，也算是实锤证据吧。
但评审委员们还是非常非常的严谨，这颁奖词也是尽量写得滴水不漏。一不小心就把我们这些搬着小板凳看热闹的吃瓜群众给搞晕了！说通俗一点，今年的诺贝尔物理学奖是个彻头彻尾的“黑洞奖”。做理论研究的彭罗斯能获奖，观测到银河系中心超大质量黑洞的根泽尔和盖兹也能获奖。那么接下去是不是直接拍摄黑洞照片的科学家们也能获奖呢？我觉得可能性不大，因为一次诺奖得主不能超过 3 个人，那张照片是几百人大团队的通力合作的结果。
图：部分参与“拍摄”第一张黑洞照的团队成员
好，这就是今年物理学奖的解读。今天的结尾感慨就一句话：
2020 年诺贝尔医学奖揭晓，丙肝成热词，那么它被治愈了吗？
31 岁入行 73 岁拿未来科学大奖，为什么说他的研究能够载入史册？
科学有故事