諾獎“風向標”與理論盡頭

向治霖

今年的諾貝爾物理學獎，爭議比較大。這一次，獎項授予了黑洞研究，但對大眾來說，黑洞早就很“熟悉”了。于是，不免有人會感到驚訝，它到現在才得獎？

這不只是大眾的感受，實際上，業界也有類似感嘆。比如說獲獎人之一、德國科學家賴因哈德·根策爾，他接受采訪時說，對于諾獎，他本來是沒有期待的。不期待的一個原因，是“黑洞存在”這課題確實太老，等了太久。

要知道，諾貝爾先生創立獎項時，有一個原則是，“頒獎給那些在前一年作出杰出貢獻的人”。

雖然到現在，這一原則很難執行，但根據公益的近似原則，委員會要執行其“精神要義”。就是說，諾貝爾獎要表彰的，至少是新銳的、先鋒的研究。

很明顯，黑洞研究在今天，絕不能說很先鋒。更何況，這一次表彰的課題，在黑洞研究里亦不是前沿。所以，它更像是一次“追封追授”。

又一個爭議出現了，這是業界人士更關注的—

物理學獎搞起了“追封追授”，既如此，怎么能漏掉霍金？漏掉了霍金的諾獎，還是那個“理中客”嗎？

“漏網”的霍金

今年，物理學獎分成了兩部分，但表彰的意思是一個：獲獎的人證明了黑洞存在。

一部分是理論上的，這部分授予給羅杰·彭羅斯。他在上世紀70年代證明，黑洞的形成是廣義相對論強有力的預測結果。

另一部分是實際觀測的，這部分授予給兩個人，賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲。他們互相獨立地發現了，在銀河系中心有一個超大質量的緊密天體—評委沒說是“黑洞”，但這是目前唯一的已知物理解釋。

其中，關系到霍金的，主要是彭羅斯。

說起來，霍金與彭羅斯，都和一個人關系匪淺，那就是英國天文學家丹尼斯·夏瑪。

夏瑪曾經無不得意地說：“我對物理學和天文學最大的貢獻，一個是培養出霍金這名學生，一個是把彭羅斯拉過來搞相對論。”

彭羅斯是被“拉”過來的，說明他不是專門的天文學家。實際上，他的主業是數學家，是該領域“大神”般的存在。經過夏瑪介紹，彭羅斯著手廣義相對論的研究，最重要的工作，是求取廣義相對論場方程的精確解。

彭羅斯的工作誠然卓越，但要論及“強有力”，霍金的功勞不能減免。如果要論及“開創性”，彭羅斯也不是第一個求得解的。

對這個方程求解的過程，就是黑洞“誕生”的過程。

具體是這樣的，首先在1915年，愛因斯坦發表了“廣義相對論場方程”。從此，要研究宇宙的話，理解這個方程是必須的。

1916年，德國的施瓦西得到場方程的一個嚴格解。這個解，預言了黑洞存在，如今叫“黑洞解”。

此后，陸續有其他科學家求解，相繼求出的精確解，都支持了黑洞假說。

然而，黑洞到底有沒有，理論界的爭議還很大—受限于現實條件，這個時候，輪不到觀測天文學上場（要等到射電望遠鏡發展壯大）。

理論爭議是多方面的。如果黑洞存在，那它是如何形成的？從這個角度，雖然有相繼得出的精確解支持，但在求解時，科學家們預設了種種前提。然而現實中，這些前提無法確立，甚至有可能不存在。

因此，黑洞的形成無法確立，再加上其他原因，否認黑洞的存在是主流觀點。其中，還包括了愛因斯坦本人。

彭羅斯個人的貢獻是，他采用了新的數學方法，去掉了對稱性的前提下，依然證明了黑洞的存在是廣義相對論的必然推論。但是，他還沒有把預設的前提一網打盡。

接著，霍金注意到彭羅斯，兩人開始合作。1970年，兩人得到了更普遍的定理，如今被命名為“霍金﹣彭羅斯奇點定理”。

這一次，定理去除了所有的假設前提。他們通過數學證明，在任何情形下，奇點的出現都是廣義相對論的必然推論。其中，奇點是黑洞的核心組成。

至此，通過廣義相對論推論出黑洞，才是真正“強有力”的。

時間回到今年10月，頒獎的時候，諾獎委員會只強調了彭羅斯的個人工作，似乎是在有意避開霍金。但是，如前文所說，霍金是根本避不開的。

這是因為，彭羅斯的工作誠然卓越，但要論及“強有力”，霍金的功勞不能減免。如果要論及“開創性”，彭羅斯也不是第一個求得解的，他之前還有諸多前輩。

所以，面對霍金“粉絲”的聲討，諾獎委員會的狡辯無益，理由蒼白得很。

好久不見的“觀測學”

霍金沒有得到諾獎，這是霍金的遺憾，更是諾獎的遺憾。斯人已逝，但大眾仍為他鳴不平，這足以證明，大眾對霍金充滿了敬意。

不過，今年物理學獎的另一個爭議，其中“惡意滿滿”。有部分觀點認為，另外兩名獲獎者，賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲，他們的工作配不上諾獎。

頒獎詞的描述是：“他們發現了銀河系中心的一個超大質量的緊密天體?！?/p>

吃瓜群眾要說了，就這？

根策爾和蓋茲的工作，屬于“觀測天文學”范疇，這是要耐得住寂寞，常年坐著冷板凳的。日復一日的觀測，比起求解高難度方程，確實沒那么“極客”，沒那么酷。

霍金沒有得到諾獎，這是霍金的遺憾，更是諾獎的遺憾。

他們的工作從上世紀90年代開始。據諾獎委員會的介紹，他們各自領導著一個天文學家小組，重點研究銀河系中心一個叫作人馬座A* 的區域。在他們的努力下，最靠近銀河系中心的最亮恒星的軌道，已經以越來越高的精度被繪制出來。

繪制出的星圖有什么用？

根策爾和蓋茲的工作，首先是證明了，銀河系的中心確實有一個超大質量的緊密天體。只有這樣，才能解釋中心處的恒星們被誰牽動。

進一步地，兩人的工作也一致證明，這個超大質量的緊密天體，是“大約400萬個太陽質量聚集在一個不比我們太陽系大的區域里”。

根據目前的知識，它只能是黑洞。

所以總結說，霍金和彭羅斯的工作，是證明了黑洞一定存在；根策爾和蓋茲的工作，則證明了黑洞在星系中普遍存在。

這份研究的意義同樣重大。早在2012年，根策爾就獲得了克拉福德獎。該獎的主要意圖，就是對諾獎遺漏科學領域的基礎研究予以獎勵。

只不過，諾獎的知名度明顯更高，是個相當大眾化的獎。那么，問題隨之出現：從全世界投來的目光，為什么對“觀測天文學”低看一眼？

這是個很有意思的話題。

其實，“觀測的科學”不被看好，也不是最近的事了。雖然在歷史上，“觀察”是科研的最早方法論，但從近代以來，它被其他方法論逐漸取代。

取代它的，一個是笛卡爾主張的“數理方法論”。這派觀點認為，能夠用數學語言描述的，利用公式來推演的，才能真正把握到物質的本質和規律。

霍金和彭羅斯的工作，就屬于“數理科學”。他們不需要望遠鏡，只需對廣義相對論場方程求解，就能早早地預言黑洞存在。

另一個取代物，則是“實驗方法論”，由羅吉爾·培根等人推崇。舉個例子，2017年的物理學獎，頒給了三位美國科學家，因為他們探測到了引力波。這就屬于“實驗科學”。

大致上看，“數理科學”側重演繹法，它能從一個真理，推演出另一個真理。因此，歷史上的數理科學家們，以驚人的預言能力著稱。

“實驗科學”則注重實驗和歸納，簡單說，它從實驗中先得到特殊規律，再通過歸納得出一般性規律。

數理科學和實驗科學，實際上“殊途同歸”。它們的目標，都是發現一般性的規律。這些規律成為定理，構筑了現在的科學大廈。

說到這里，也就不難理解，“觀測科學”為什么被邊緣化。

從結果上看，“觀測科學”只提供觀測所得，并不能提供一般性規律。因此，最受矚目的現代科學成果中，很少有它的位置。

說回根策爾和蓋茲，對他們工作的爭議，深層的原因就是“觀測科學”的危機。

盡頭與出路

要強調的是，根策爾和蓋茲的工作，當然是值得諾獎獎勵的。筆者甚至認為，強調和重視“過時”的觀測科學，正是這次的物理學獎給出的啟示。

說起天文學，本身還是從觀測科學開始的。

起初，伽利略發明了望遠鏡，拓寬了人眼觀測的距離。開普勒的老師第谷，終其一生進行觀測和記錄。正是因為第谷留下的大量材料，開普勒總結出天體運行的三大規律，最后，由牛頓奠定了絕對時空的宇宙。

然而，就如同歷史重演一樣，第谷在科學史中幾乎沒有位置，而這一次物理學獎公布后，被談論得最多的，依然是彭羅斯和霍金。

數理科學誠然是光芒萬丈。最受敬仰的科學家，牛頓、愛因斯坦、霍金等人，都是數理科學家。然而，大師遠去之后，數理科學的光芒有衰微跡象。

這一次的“追封追授”，直追到了上世紀70年代，一定程度上說明，現在的理論處于“無可封、無可授”的尷尬境地。

物理理論陷入瓶頸，現在是老生常談了。這一次物理學獎公布后，類似的情緒又被撩撥。有觀點認為，這一次的“追封追授”，直追到了上世紀70年代，一定程度上說明，現在的理論處于“無可封、無可授”的尷尬境地。

僅僅是黑洞的未解之謎，就足以令人望而生畏。根據目前的認知，黑洞的質量之大，光也不能穿過。被吸入了黑洞的，無論是什么，信息都會永久性丟失。

諾獎的評審專家在直播時，用一個黑色的球簡單說明。黑球是黑洞的“事件視界”，里面是有去無回的空間，如果將手指伸入“事件視界”，由于超強的“引力場”導致時空彎曲，這根手指會去到“將來”。

廣義相對論后的宇宙觀，是一個“時空—物質—場—流形”融合作用的整體圖景。在黑洞的奇點處，空間曲率無限大，時間r=0。那里是時間的終點。

也就是說，奇點之所在，是我們已知的所有自然規則失效的地方。

黑洞的性質，對電影觀眾而言是奇觀，對科學界來說卻是災難。在愛因斯坦的時代，他不主張黑洞存在，除了在當時不能證明黑洞存在的必然性之外，還因為他無法接受，宇宙中會有一個地方，令自然法則失效。

即便在后來，霍金和彭羅斯親手“找”出了黑洞，證明了它的存在，彭羅斯依然主張“宇宙監察假說”。也就是說，奇點都是被事件視界包裹的，不存在裸露的奇點，以此來拯救自然法則在支配自然時的不完美（盡管完不完美是人為標準）。

總之，數理科學對理論的推演，長期以來盡顯疲軟了。相對地，觀測科學大有興起之勢。以根策爾和蓋茲為例，他們用的目前最先進的望遠鏡，口徑在8～10米。據了解，新的口徑在25米左右的望遠鏡，現在正在研制中。

“觀測”雖然是最老的方法，但我們不能低估它的價值?！芭d起之勢”是說，觀測科學現在仍在進步，在物理理論和實驗的發展都陷入了瓶頸時，它不失為一處活水。至少今年的諾獎，就證明了它的潛力。