诺奖“风向标”与理论尽头

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2019年4月,科学家发布人类史上首张黑洞照片
彭罗斯的工作诚然卓越,但要论及“强有力”,霍金的功劳不能减免。如果要论及“开创性”,彭罗斯也不是第一个求得解的。

  对这个方程求解的过程,就是黑洞“诞生”的过程。
  具体是这样的,首先在1915年,爱因斯坦发表了“广义相对论场方程”。从此,要研究宇宙的话,理解这个方程是必须的。
  1916年,德国的施瓦西得到场方程的一个严格解。这个解,预言了黑洞存在,如今叫“黑洞解”。
  此后,陆续有其他科学家求解,相继求出的精确解,都支持了黑洞假说。
  然而,黑洞到底有没有,理论界的争议还很大—受限于现实条件,这个时候,轮不到观测天文学上场(要等到射电望远镜发展壮大)。
  理论争议是多方面的。如果黑洞存在,那它是如何形成的?从这个角度,虽然有相继得出的精确解支持,但在求解时,科学家们预设了种种前提。然而现实中,这些前提无法确立,甚至有可能不存在。
  因此,黑洞的形成无法确立,再加上其他原因,否认黑洞的存在是主流观点。其中,还包括了爱因斯坦本人。
  彭罗斯个人的贡献是,他采用了新的数学方法,去掉了对称性的前提下,依然证明了黑洞的存在是广义相对论的必然推论。但是,他还没有把预设的前提一网打尽。
  接着,霍金注意到彭罗斯,两人开始合作。1970年,两人得到了更普遍的定理,如今被命名为“霍金﹣彭罗斯奇点定理”。
  这一次,定理去除了所有的假设前提。他们通过数学证明,在任何情形下,奇点的出现都是广义相对论的必然推论。其中,奇点是黑洞的核心组成。
  至此,通过广义相对论推论出黑洞,才是真正“强有力”的。
  时间回到今年10月,颁奖的时候,诺奖委员会只强调了彭罗斯的个人工作,似乎是在有意避开霍金。但是,如前文所说,霍金是根本避不开的。
  这是因为,彭罗斯的工作诚然卓越,但要论及“强有力”,霍金的功劳不能减免。如果要论及“开创性”,彭罗斯也不是第一个求得解的,他之前还有诸多前辈。
10月6日,瑞典斯德哥尔摩,瑞典皇家科学院公布2020年诺贝尔物理学奖获得者

  所以,面对霍金“粉丝”的声讨,诺奖委员会的狡辩无益,理由苍白得很。

好久不见的“观测学”


  霍金没有得到诺奖,这是霍金的遗憾,更是诺奖的遗憾。斯人已逝,但大众仍为他鸣不平,这足以证明,大众对霍金充满了敬意。
  不过,今年物理学奖的另一个争议,其中“恶意满满”。有部分观点认为,另外两名获奖者,赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹,他们的工作配不上诺奖。
  颁奖词的描述是:“他们发现了银河系中心的一个超大质量的紧密天体。”
  吃瓜群众要说了,就这?   根策爾和盖兹的工作,属于“观测天文学”范畴,这是要耐得住寂寞,常年坐着冷板凳的。日复一日的观测,比起求解高难度方程,确实没那么“极客”,没那么酷。
霍金没有得到诺奖,这是霍金的遗憾,更是诺奖的遗憾。

  他们的工作从上世纪90年代开始。据诺奖委员会的介绍,他们各自领导着一个天文学家小组,重点研究银河系中心一个叫作人马座A* 的区域。在他们的努力下,最靠近银河系中心的最亮恒星的轨道,已经以越来越高的精度被绘制出来。
  绘制出的星图有什么用?
  根策尔和盖兹的工作,首先是证明了,银河系的中心确实有一个超大质量的紧密天体。只有这样,才能解释中心处的恒星们被谁牵动。
  进一步地,两人的工作也一致证明,这个超大质量的紧密天体,是“大约400万个太阳质量聚集在一个不比我们太阳系大的区域里”。
  根据目前的知识,它只能是黑洞。
  所以总结说,霍金和彭罗斯的工作,是证明了黑洞一定存在;根策尔和盖兹的工作,则证明了黑洞在星系中普遍存在。
  这份研究的意义同样重大。早在2012年,根策尔就获得了克拉福德奖。该奖的主要意图,就是对诺奖遗漏科学领域的基础研究予以奖励。
  只不过,诺奖的知名度明显更高,是个相当大众化的奖。那么,问题随之出现:从全世界投来的目光,为什么对“观测天文学”低看一眼?
  这是个很有意思的话题。
  其实,“观测的科学”不被看好,也不是最近的事了。虽然在历史上,“观察”是科研的最早方法论,但从近代以来,它被其他方法论逐渐取代。
  取代它的,一个是笛卡尔主张的“数理方法论”。这派观点认为,能够用数学语言描述的,利用公式来推演的,才能真正把握到物质的本质和规律。
  霍金和彭罗斯的工作,就属于“数理科学”。他们不需要望远镜,只需对广义相对论场方程求解,就能早早地预言黑洞存在。
  另一个取代物,则是“实验方法论”,由罗吉尔·培根等人推崇。举个例子,2017年的物理学奖,颁给了三位美国科学家,因为他们探测到了引力波。这就属于“实验科学”。
  大致上看,“数理科学”侧重演绎法,它能从一个真理,推演出另一个真理。因此,历史上的数理科学家们,以惊人的预言能力著称。
  “实验科学”则注重实验和归纳,简单说,它从实验中先得到特殊规律,再通过归纳得出一般性规律。
  数理科学和实验科学,实际上“殊途同归”。它们的目标,都是发现一般性的规律。这些规律成为定理,构筑了现在的科学大厦。
  说到这里,也就不难理解,“观测科学”为什么被边缘化。
  从结果上看,“观测科学”只提供观测所得,并不能提供一般性规律。因此,最受瞩目的现代科学成果中,很少有它的位置。
  说回根策尔和盖兹,对他们工作的争议,深层的原因就是“观测科学”的危机。

尽头与出路


  要强调的是,根策尔和盖兹的工作,当然是值得诺奖奖励的。笔者甚至认为,强调和重视“过时”的观测科学,正是这次的物理学奖给出的启示。
  说起天文学,本身还是从观测科学开始的。
  起初,伽利略发明了望远镜,拓宽了人眼观测的距离。开普勒的老师第谷,终其一生进行观测和记录。正是因为第谷留下的大量材料,开普勒总结出天体运行的三大规律,最后,由牛顿奠定了绝对时空的宇宙。
  然而,就如同历史重演一样,第谷在科学史中几乎没有位置,而这一次物理学奖公布后,被谈论得最多的,依然是彭罗斯和霍金。
  数理科学诚然是光芒万丈。最受敬仰的科学家,牛顿、爱因斯坦、霍金等人,都是数理科学家。然而,大师远去之后,数理科学的光芒有衰微迹象。
这一次的“追封追授”,直追到了上世纪70年代,一定程度上说明,现在的理论处于“无可封、无可授”的尴尬境地。

  物理理论陷入瓶颈,现在是老生常谈了。这一次物理学奖公布后,类似的情绪又被撩拨。有观点认为,这一次的“追封追授”,直追到了上世纪70年代,一定程度上说明,现在的理论处于“无可封、无可授”的尴尬境地。
  仅仅是黑洞的未解之谜,就足以令人望而生畏。根据目前的认知,黑洞的质量之大,光也不能穿过。被吸入了黑洞的,无论是什么,信息都会永久性丢失。
  诺奖的评审专家在直播时,用一个黑色的球简单说明。黑球是黑洞的“事件视界”,里面是有去无回的空间,如果将手指伸入“事件视界”,由于超强的“引力场”导致时空弯曲,这根手指会去到“将来”。
  广义相对论后的宇宙观,是一个“时空—物质—场—流形”融合作用的整体图景。在黑洞的奇点处,空间曲率无限大,时间r=0。那里是时间的终点。
  也就是说,奇点之所在,是我们已知的所有自然规则失效的地方。
  黑洞的性质,对电影观众而言是奇观,对科学界来说却是灾难。在爱因斯坦的时代,他不主张黑洞存在,除了在当时不能证明黑洞存在的必然性之外,还因为他无法接受,宇宙中会有一个地方,令自然法则失效。
  即便在后来,霍金和彭罗斯亲手“找”出了黑洞,证明了它的存在,彭罗斯依然主张“宇宙监察假说”。也就是说,奇点都是被事件视界包裹的,不存在裸露的奇点,以此来拯救自然法则在支配自然时的不完美(尽管完不完美是人为标准)。
  总之,数理科学对理论的推演,长期以来尽显疲软了。相对地,观测科学大有兴起之势。以根策尔和盖兹为例,他们用的目前最先进的望远镜,口径在8~10米。据了解,新的口径在25米左右的望远镜,现在正在研制中。
  “观测”虽然是最老的方法,但我们不能低估它的价值。“兴起之势”是说,观测科学现在仍在进步,在物理理论和实验的发展都陷入了瓶颈时,它不失为一处活水。至少今年的诺奖,就证明了它的潜力。
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