上帝欠霍金一个诺贝尔奖？他只是输给了死神

2021年7月，科学界终于确认了霍金1973年关于黑洞的基本预测是正确的，此时距离他去世已经过去三年多。假如霍金还活着，他有机会获得诺贝尔奖吗？

2018 年 3 月 14 日，斯蒂芬·霍金去世。

此时，距离这位蜚声世界的物理学家提出那个关于黑洞的预测已经过去了40多年。1973年，霍金曾提出一个假设：黑洞只会变大，永远不会变小——它们会吞噬所经过的一切信息，从而威胁到我们追踪宇宙历史的能力。

2015 年，激光干涉引力波天文台(LIGO) 记录了来自两个大质量黑洞的信号数据，这些黑洞碰撞并产生了一个更大的黑洞。

LIGO获得的数据表明，霍金近50年前的预测是改变现代物理学的一系列关于黑洞的见解的关键一步。

今年夏天，《物理评论快报》发表了对霍金预测的确认。由MIT物理学家马克西米利亚诺·伊西 (Maximiliano Isi) 的团队花了数年时间深入研究了LIGO结果的细节，2021年7月，科学家们终于宣布霍金的预测是对的，至少对于2015年这次黑洞碰撞是对的。

「这是一项令人兴奋的测试，因为这是地球上实验室无法实现的长期期望的结果。」康奈尔大学研究员、Isi 团队成员马修·吉斯勒(Matthew Giesler) 在一封电子邮件中说。

「这项测试需要研究超过 10 亿光年外的两个黑洞的合并，如果没有 Ligo 及其前所未有的探测设备，测试根本无法完成。」

可能没有人知道诺奖委员会的想法，提名人的身份有 50 年的保密期。但许多科学家都认为，Isi对霍金预测的确认本可以使霍金——以及他的那篇权威论文的合作者——有资格获得诺贝尔奖。

一位艺术家关于两个黑洞合并的构想，类似于 Ligo 在 2015 年检测到的黑洞。图片来源：Aurore Simonnet/SonomaState/Caltech/MIT/Ligo

但诺贝尔奖不能追授。这个确认结果来得太晚了。

2021 年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，其中，日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼因「建立地球气候的物理模型、量化其可变性并可靠地预测全球变暖 」的相关研究获奖，意大利科学家乔治·帕里西因「发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用」而获奖。

他们的工作奠定了我们对地球气候和人类如何影响气候的认识的基础。对于了解地球气候如何变化以及人类行为如何影响这些变化至关重要。

但是霍金，可以说是最著名和最受尊敬的研究人员之一，从未获得过诺贝尔奖，现在也永远无法获奖了。霍金的故事提醒人们，诺奖是如何受制于变幻无常的命运的。

越来越笨拙的宇宙

故事开始于 1970 年，那天晚上霍金正准备睡觉——对于一个已经患有肌萎缩侧索硬化症而半瘫痪的人来说，这是一项艰巨的任务。根据爱因斯坦的广义相对论，他一直在思考黑洞问题。

黑洞是通往无限的舷窗。每个黑洞都被一个事件视界包围；进入黑洞的物质永远不会出来。霍金意识到，爱因斯坦的理论也意味着黑洞的事件视界永远不会减少。黑洞的质量只会增加，因此其事件视界的总表面积只会越来越大。

这是一个大胆的想法。如果黑洞可以一分为二，或者像肥皂泡一样相互碰撞并消失，会怎样？这个假设成为他 1973 年的论文《黑洞力学四定律》的基础，该论文是他与现华盛顿大学的詹姆斯·巴丁和现法国国家科学研究中心的布兰登·卡特共同完成的。

这些定律还包含一个令人不安的物理学结论，称为“无毛”定理。事件视界的表面积是衡量黑洞吞噬的所有信息的尺度。对于黑洞来说，无论它消耗物质还是反物质，特斯拉还是大众汽车，鸵鸟还是鲸鱼，都是一样的。

黑洞只有三个特性：质量、自旋和电荷。没有其他细节。

这个定理意味着，随着黑洞变老，其事件视界变大，丢失的关于内部内容的信息量也会增加。宇宙会变得越来越笨拙，隐藏越来越多过去的细节。1974 年，当霍金计算出量子效应会导致黑洞缓慢泄漏和爆炸时，这个难题进一步加深。

两个黑洞的合并。图片来源：SXS/BLACK-HOLES.ORG

这个问题改变了基础物理学，并激励了一代年轻的理论物理学家。关键在于支配宇宙的爱因斯坦引力和支配微观世界的量子力学是否遵循相同的规则。

“这一切都始于霍金意识到黑洞的总视界面积永远不会下降，”伊西说。但由于没有可供实验的黑洞，霍金的想法无法得到验证。 

LIGO的出现

LIGO会改变这一点。这是加州理工学院的理论物理学家、LIGO创始人之一基普·索恩 (Kip Thorne) 于 2003 年向霍金做出的承诺。他表示，到2012年霍金 70 岁时，Ligo将能够整理出黑洞的特性.

Kip Thorne

实际上，这个过程花了更长的时间。直到 2015 年 9 月 14 日才观察到第一个划时代事件：两个碰撞的黑洞。通过将检测到的波型与计算机模拟进行匹配，Ligo 团队得出结论，其中一个黑洞的质量是太阳的 36 倍，另一个是太阳质量的 29 倍，两个黑洞总质量共相当于 65 个太阳。这次碰撞产生了一个新的黑洞，质量约为 62 个太阳。

也就是说，三个太阳的能量，消失在震撼宇宙的引力波之中。

此次观测数据不仅证实了引力波的存在，而且还提供了黑洞存在的第一个直接证据。在正式宣布结果的前几天，论文副本被送至霍金手中。他惊讶地发现文中没有提到黑洞力学的四定律，也没有提到这一发现可能会检验该定律的可能。他当即联系了论文的作者索恩。

2018 年去世的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在近 50 年前预测了黑洞行为。摄影：弗雷德里克·M·布朗/Getty

“他非常惊讶，”索恩写信给他的同事。没有人想过要检查黑洞力学定律，当时在论文中添加任何内容都为时已晚。而且，正如索恩所说，观测数据过于嘈杂，无法很好地测量新形成的黑洞的大小，以证实霍金的理论。

2017 年，当时还是加州理工学院研究生的 Giesler 和同事利用对碰撞黑洞的数值模拟来更深入地研究黑洞。当一个新合并的黑洞形成时，它会振动，就像鼓一样，会产生基音和泛音——泛音或低音。

Giesler发现，在合并过程的早期，泛音出人意料地响亮。利用这些泛音，他和他的同事在 2019 年证明了“无毛”定理。

今年夏天，他们通过利用新黑洞的泛音来测量其大小。据此得出结论，正如霍金很久以前所预测的那样，新黑洞的事件视界的面积已经增加。

霍金的诺奖之梦

如果霍金还活着，这会为他赢得诺贝尔奖吗？「我不喜欢推测，」索恩说，他在 2017 年因参与开发LIGO而分享了诺贝尔物理学奖。

哈佛大学的安德鲁·斯特罗明格是霍金的长期合作者，他说：「我不知道诺贝尔委员会的审议情况，但如果霍金还活着，他可能已经被列入提名范围。当然，最近的这些实验结果会使他的提名更稳固。」

芝加哥大学的天体物理学家 Daniel Holz 是 Ligo 合作项目的成员，但不是 Isi 团队的成员，他称这个结果“非常酷”。“可以说，这是对他的一个预测的观察证实，”他说。“我希望诺贝尔委员会意识到这一点。”

LIGO：该项目在华盛顿州的探测器站点。另一个在路易斯安那州。图片来源：CALTECH/MIT/LIGO

诺贝尔物理学奖总是倾向于颁发给基于实践和实验的发现，甚至爱因斯坦也是因为解释了光电效应而获奖，而不是因为相对论。诺贝尔委员会最近在理论天体物理学方面走得最远的一次是 2020 年，当时牛津大学的罗杰·彭罗斯因证明宇宙中存在黑洞而获奖。

但他是与马克斯普朗克外星物理研究所的 Reinhard Genzel 和加州大学洛杉矶分校的 Andrea Ghez 两位天文学家分享这个奖项的，他们都研究了银河系中心的超大质量黑洞。

即使在证明黑洞面积定理时霍金还活着，恐怕也很难办——诺贝尔奖最多只能颁发给三个人。那么霍金1973年论文的合著者巴丁和卡特呢？Isi的研究团队呢？

霍金现在长眠于在伦敦的威斯敏斯特教堂，与艾萨克·牛顿和查尔斯·达尔文相伴。也许这比去斯德哥尔摩过一个冬天更好。

参考链接：

https://www.irishtimes.com/life-and-style/people/did-death-cheat-stephen-hawking-of-a-nobel-prize-1.4691637

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/10/466489.shtm

*本文转自：新智元

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