諾獎“風(fēng)向標(biāo)”與理論盡頭

向治霖

今年的諾貝爾物理學(xué)獎，爭議比較大。這一次，獎項(xiàng)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(xiàn)在才得獎？

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

要知道，諾貝爾先生創(chuàng)立獎項(xiàng)時(shí)，有一個(gè)原則是，“頒獎給那些在前一年作出杰出貢獻(xiàn)的人”。

雖然到現(xiàn)在，這一原則很難執(zhí)行，但根據(jù)公益的近似原則，委員會要執(zhí)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(gè)爭議出現(xiàn)了，這是業(yè)界人士更關(guān)注的—

物理學(xué)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(gè)“理中客”嗎？

“漏網(wǎng)”的霍金

今年，物理學(xué)獎分成了兩部分，但表彰的意思是一個(gè)：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(jì)70年代證明，黑洞的形成是廣義相對論強(qiáng)有力的預(yù)測結(jié)果。

另一部分是實(shí)際觀測的，這部分授予給兩個(gè)人，賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲。他們互相獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了，在銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)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(guān)系到霍金的，主要是彭羅斯。

說起來，霍金與彭羅斯，都和一個(gè)人關(guān)系匪淺，那就是英國天文學(xué)家丹尼斯·夏瑪。

夏瑪曾經(jīng)無不得意地說：“我對物理學(xué)和天文學(xué)最大的貢獻(xiàn)，一個(gè)是培養(yǎng)出霍金這名學(xué)生，一個(gè)是把彭羅斯拉過來搞相對論?！?/p>

彭羅斯是被“拉”過來的，說明他不是專門的天文學(xué)家。實(shí)際上，他的主業(yè)是數(shù)學(xué)家，是該領(lǐng)域“大神”般的存在。經(jīng)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(qiáng)有力”，霍金的功勞不能減免。如果要論及“開創(chuàng)性”，彭羅斯也不是第一個(gè)求得解的。

對這個(gè)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(fā)表了“廣義相對論場方程”。從此，要研究宇宙的話，理解這個(gè)方程是必須的。

1916年，德國的施瓦西得到場方程的一個(gè)嚴(yán)格解。這個(gè)解，預(yù)言了黑洞存在，如今叫“黑洞解”。

此后，陸續(xù)有其他科學(xué)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(xiàn)實(shí)條件，這個(gè)時(shí)候，輪不到觀測天文學(xué)上場（要等到射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)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(gè)角度，雖然有相繼得出的精確解支持，但在求解時(shí)，科學(xué)家們預(yù)設(shè)了種種前提。然而現(xiàn)實(shí)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(rèn)黑洞的存在是主流觀點(diǎn)。其中，還包括了愛因斯坦本人。

彭羅斯個(gè)人的貢獻(xiàn)是，他采用了新的數(shù)學(xué)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(yù)設(shè)的前提一網(wǎng)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(diǎn)定理”。

這一次，定理去除了所有的假設(shè)前提。他們通過數(shù)學(xué)證明，在任何情形下，奇點(diǎn)的出現(xiàn)都是廣義相對論的必然推論。其中，奇點(diǎn)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(qiáng)有力”的。

時(shí)間回到今年10月，頒獎的時(shí)候，諾獎委員會只強(qiáng)調(diào)了彭羅斯的個(gè)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?yàn)?，彭羅斯的工作誠然卓越，但要論及“強(qiáng)有力”，霍金的功勞不能減免。如果要論及“開創(chuàng)性”，彭羅斯也不是第一個(gè)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(xué)”

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(xué)獎的另一個(gè)爭議，其中“惡意滿滿”。有部分觀點(diǎn)認(rèn)為，另外兩名獲獎?wù)?，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(fā)現(xiàn)了銀河系中心的一個(gè)超大質(zhì)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(xué)”范疇，這是要耐得住寂寞，常年坐著冷板凳的。日復(fù)一日的觀測，比起求解高難度方程，確實(shí)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(jì)90年代開始。據(jù)諾獎委員會的介紹，他們各自領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)天文學(xué)家小組，重點(diǎn)研究銀河系中心一個(gè)叫作人馬座A* 的區(qū)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(jīng)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(shí)有一個(gè)超大質(zhì)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(jìn)一步地，兩人的工作也一致證明，這個(gè)超大質(zhì)量的緊密天體，是“大約400萬個(gè)太陽質(zhì)量聚集在一個(gè)不比我們太陽系大的區(qū)域里”。

根據(jù)目前的知識，它只能是黑洞。

所以總結(jié)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(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究予以獎勵(lì)。

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

這是個(gè)很有意思的話題。

其實(shí)，“觀測的科學(xué)”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(gè)是笛卡爾主張的“數(shù)理方法論”。這派觀點(diǎn)認(rèn)為，能夠用數(shù)學(xué)語言描述的，利用公式來推演的，才能真正把握到物質(zhì)的本質(zhì)和規(guī)律。

霍金和彭羅斯的工作，就屬于“數(shù)理科學(xué)”。他們不需要望遠(yuǎn)鏡，只需對廣義相對論場方程求解，就能早早地預(yù)言黑洞存在。

另一個(gè)取代物，則是“實(shí)驗(yàn)方法論”，由羅吉爾·培根等人推崇。舉個(gè)例子，2017年的物理學(xué)獎，頒給了三位美國科學(xué)家，因?yàn)樗麄兲綔y到了引力波。這就屬于“實(shí)驗(yàn)科學(xué)”。

大致上看，“數(shù)理科學(xué)”側(cè)重演繹法，它能從一個(gè)真理，推演出另一個(gè)真理。因此，歷史上的數(shù)理科學(xué)家們，以驚人的預(yù)言能力著稱。

“實(shí)驗(yàn)科學(xué)”則注重實(shí)驗(yàn)和歸納，簡單說，它從實(shí)驗(yàn)中先得到特殊規(guī)律，再通過歸納得出一般性規(guī)律。

數(shù)理科學(xué)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)際上“殊途同歸”。它們的目標(biāo)，都是發(fā)現(xiàn)一般性的規(guī)律。這些規(guī)律成為定理，構(gòu)筑了現(xiàn)在的科學(xué)大廈。

說到這里，也就不難理解，“觀測科學(xué)”為什么被邊緣化。

從結(jié)果上看，“觀測科學(xué)”只提供觀測所得，并不能提供一般性規(guī)律。因此，最受矚目的現(xiàn)代科學(xué)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(xué)”的危機(jī)。

盡頭與出路

要強(qiáng)調(diào)的是，根策爾和蓋茲的工作，當(dāng)然是值得諾獎獎勵(lì)的。筆者甚至認(rèn)為，強(qiáng)調(diào)和重視“過時(shí)”的觀測科學(xué)，正是這次的物理學(xué)獎給出的啟示。

說起天文學(xué)，本身還是從觀測科學(xué)開始的。

起初，伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，拓寬了人眼觀測的距離。開普勒的老師第谷，終其一生進(jìn)行觀測和記錄。正是因?yàn)榈诠攘粝碌拇罅坎牧?，開普勒總結(jié)出天體運(yùn)行的三大規(guī)律，最后，由牛頓奠定了絕對時(shí)空的宇宙。

然而，就如同歷史重演一樣，第谷在科學(xué)史中幾乎沒有位置，而這一次物理學(xué)獎公布后，被談?wù)摰米疃嗟?，依然是彭羅斯和霍金。

數(shù)理科學(xué)誠然是光芒萬丈。最受敬仰的科學(xué)家，牛頓、愛因斯坦、霍金等人，都是數(shù)理科學(xué)家。然而，大師遠(yuǎn)去之后，數(shù)理科學(xué)的光芒有衰微跡象。

這一次的“追封追授”，直追到了上世紀(jì)70年代，一定程度上說明，現(xiàn)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(xiàn)在是老生常談了。這一次物理學(xué)獎公布后，類似的情緒又被撩撥。有觀點(diǎn)認(rèn)為，這一次的“追封追授”，直追到了上世紀(jì)70年代，一定程度上說明，現(xiàn)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(jù)目前的認(rèn)知，黑洞的質(zhì)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(shí)，用一個(gè)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(qiáng)的“引力場”導(dǎo)致時(shí)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(gè)“時(shí)空—物質(zhì)—場—流形”融合作用的整體圖景。在黑洞的奇點(diǎn)處，空間曲率無限大，時(shí)間r=0。那里是時(shí)間的終點(diǎn)。

也就是說，奇點(diǎn)之所在，是我們已知的所有自然規(guī)則失效的地方。

黑洞的性質(zhì)，對電影觀眾而言是奇觀，對科學(xué)界來說卻是災(zāi)難。在愛因斯坦的時(shí)代，他不主張黑洞存在，除了在當(dāng)時(shí)不能證明黑洞存在的必然性之外，還因?yàn)樗麩o法接受，宇宙中會有一個(gè)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(jiān)察假說”。也就是說，奇點(diǎn)都是被事件視界包裹的，不存在裸露的奇點(diǎn)，以此來拯救自然法則在支配自然時(shí)的不完美（盡管完不完美是人為標(biāo)準(zhǔn)）。

總之，數(shù)理科學(xué)對理論的推演，長期以來盡顯疲軟了。相對地，觀測科學(xué)大有興起之勢。以根策爾和蓋茲為例，他們用的目前最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，口徑在8～10米。據(jù)了解，新的口徑在25米左右的望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)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(jià)值?！芭d起之勢”是說，觀測科學(xué)現(xiàn)在仍在進(jìn)步，在物理理論和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展都陷入了瓶頸時(shí)，它不失為一處活水。至少今年的諾獎，就證明了它的潛力。