霍金的朋友、著名数学家彭罗斯获得2020年诺贝尔物理学奖，这是怎么回事？ | 袁岚峰

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导读


在此之前，许多科学家对黑洞的看法是，它只会出现在非常特殊的条件下（如完美的旋转对称），稍有不对称就会导致黑洞不出现。也就是说，他们认为，现实条件下不会出现黑洞。但彭罗斯和霍金证明了，这种看法是错的，黑洞在真实的宇宙中完全可以出现。

每年的诺贝尔奖公布时，第一天我基本都没啥可说的，因为是生理学或医学奖。从第二天开始，我有所了解的可能性就大增了，因为第二天是物理学奖，第三天是化学奖。2020年10月6日，诺贝尔物理学奖公布了。令我吃惊的是，这次我不但是有所了解，而且是了解得不算少，能立刻解读一下。因为这第一位获奖者实在是太有名了，罗杰·彭罗斯（Roger Penrose，1931 - ）。他是一位著名的科普作家，我看过他的《皇帝新脑》。实际上，看过“第一推动丛书”的人都会记得，彭罗斯是霍金（Stephen William Hawking，1942 - 2018）的朋友与合作者。他们俩都是英国人。

诺贝尔奖网站上的彭罗斯像2018年3月14日，霍金去世的当天，我写了一篇文章《纪念霍金：人是一根会思想的芦苇》。里面介绍了霍金在科学、科普以及励志等方面的贡献，其中我说到，霍金没有得诺贝尔奖，是因为他的成果没有达到诺贝尔奖的级别。现在我必须要收回这句话了，因为这次彭罗斯得奖的成果，有很多正是跟霍金一起做的！具体解释一下，诺贝尔奖网站上彭罗斯得奖的理由（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/penrose/facts/）是，“由于发现黑洞的形成是广义相对论的一个稳健的预测”（for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity）。这话是什么意思呢？我在霍金的书中看到过。他们证明了，广义相对论在很广泛的条件下都会导致黑洞。这就是所谓“稳健的预测”。为什么这很重要？因为在此之前，许多科学家对黑洞的看法是，它只会出现在非常特殊的条件下（如完美的旋转对称），稍有不对称就会导致黑洞不出现。也就是说，他们认为，现实条件下不会出现黑洞。但彭罗斯和霍金证明了，这种看法是错的，黑洞在真实的宇宙中完全可以出现。我的同事、科大天文学系教授袁业飞传给了我一些原始文献，包括彭罗斯1965年的文章《引力塌缩与时空奇点》（Gravitational Collapse and Space-Time Singularities）以及霍金与彭罗斯1970年的文章《引力塌缩和宇宙学的奇点》（The singularities of gravitational collapse and cosmology）。

《引力塌缩与时空奇点》

《引力塌缩和宇宙学的奇点》在彭罗斯工作的基础上，霍金证明了，如果逆着时间轴看，那么大爆炸就是塌缩，所以整个宇宙也必不可免来自奇点。也就是说，以前人们讨论的是“在当前的宇宙中是否存在奇点”，霍金推广到了“整个宇宙的过去肯定有个奇点”。

广义相对论巨著《Gravitation》对彭罗斯的评价

广义相对论巨著《Gravitation》对霍金的评价在了解这些工作之后，我们立刻会产生一个感觉：霍金实在是太亏了！他如果多活两年，也许就会跟彭罗斯一起得诺贝尔奖了。当然，也有可能是谁都得不了，因为诺贝尔奖一次最多发给三个人，而这次正是发给了彭罗斯与另外两个人。如果霍金还活着，反而会让诺贝尔奖委员会很难办。实际上，彭罗斯已经89岁了，因此这次可以理解为“抢救性颁奖”。这种做法近年来越来越多。例如2017年因为发现引力波获得诺贝尔物理学奖的三个人雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里•巴里什（Barry Clark Barish）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），获奖时分别是85岁、81岁和77岁（《听三位诺贝尔奖得主讲引力波 | 袁岚峰》）。而且他们还有一位重要合作者罗纳德·德雷弗（Ronald William Prest Drever）在2017年初去世了，享年85岁。

墨子沙龙引力波大会

罗纳德·德雷弗又如2018年获得诺贝尔物理学奖的“光镊之父”亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin，1922 - 2020），获奖时已经96岁了（《日本诺贝尔奖现在多于中国很正常，但未来属于中国 | 袁岚峰》）！打破了诺贝尔奖的高龄纪录。

亚瑟·阿什金

更神的是，第二年这个纪录又被97岁的诺贝尔化学奖得主John B. Goodenough（1922 - ）打破了（《97岁的“足够好”老爷子刷新纪录：2019年诺贝尔化学奖的故事 | 袁岚峰》）。开玩笑地说，Goodenough应该叫做Oldenough。

John B. Goodenough

不久前的2020年9月21日，阿什金老爷子去世了，享年98岁。而Goodenough老爷子，仍然一如既往地超长待机，正如他研究的——锂电池。又如2019年得奖的詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles），也已经84岁了（《踏过宇宙涟漪，我心澎湃依旧：2019年诺贝物理学奖的故事 | 袁岚峰》）。他获奖的理由是一个比较暧昧的说法，“因为物理宇宙学中的理论发现”（for theoretical discoveries in physical cosmology），这在诺贝尔奖中是相当少见的。其实就是因为不给老爷子说不过去，那就赶快把他的成果打包发一个吧！

詹姆斯·皮布尔斯从宏观来看，这也许反映了物理学理论进步的缓慢。新的大成果发完了，如果给次一级的成果又觉得不公平，不得不把以前的理论成果翻出来发奖。所以这种抢救性颁奖，既是对上个世纪物理学成就大爆发的追认，也是对当前物理学重大突破匮乏的无奈。关于彭罗斯还有一点有趣的是，他的学术背景更多的是数学家，而不是物理学家。所以可想而知，我的许多做数学科普的朋友，都会宣布：“震惊！数学家彭罗斯获得诺贝尔物理学奖！”例如，许多人知道彭罗斯，不是因为他对广义相对论和量子力学的贡献，而是因为彭罗斯镶嵌（Penrose tiling）。这是一种用两种基本图形组成的拼图，可以铺满整个平面，但没有周期性。这不但是个有趣的数学图形，而且由于它的五次对称性，对一种叫做“准晶”（quasicrystal）的物理现象也有很大的启发。彭罗斯镶嵌最后再说一下，跟彭罗斯同时得奖的是德国科学家Reinhard Genzel与美国科学家Andrea Ghez。他们得奖的理由是“由于在银河系的中心发现具有超级质量的致密天体”（for the discovery of a supermassive compact object at the centre of our galaxy），用大白话说，就是发现银河系中心的黑洞。一般认为，这个黑洞的质量是4百万倍太阳质量。彭罗斯获得了奖金的一半，这两位各获得了1/4。

Reinhard Genzel

Andrea Ghez这更加让我们理解了，为什么今年要发给彭罗斯。如果彭罗斯和霍金这两位预测黑洞存在的理论家没得奖，发现黑洞的实验家却得奖了，这怎么说得过去？我们在为霍金唏嘘的同时，也可以意识到：由于《时间简史》这部科普神作以及身残志坚的传奇形象，霍金对公众的影响、对科学的贡献都远远超越了诺贝尔奖的范畴。仁远乎哉？我欲仁，斯仁至矣！

霍金的笑
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背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

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