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卢昌海:彭罗斯对黑洞研讨到底有何奉献?霍金若在世能否得奖?

瑞典当地时刻10月6日正午,诺贝尔奖委员会宣告将2020年诺贝尔物理学奖颁发英国数学物理学家彭罗斯,赞誉他对“发现黑洞构成是广义相对论的坚实猜测”,以及根泽尔和盖兹,赞誉他们“发现银河系中心有一个超大质量细密天体”。

对发现黑洞作出理论研讨的彭罗斯,他作为一个数学家,到底有何共同奉献?闻名科普作家卢昌海博士给出了他的扼要答复。

问:关于彭罗斯的获奖原因,诺贝尔委员会给出的是“发现黑洞的构成是广义相对论的坚实预言”,诺奖委员会发布的科普资料里还说到了奇点定理,您能简略科普一下这项效果的内容和含义吗?

卢昌海:1916年1月,距爱因斯坦宣布广义相对论场方程不到两个月,德国物理学家施瓦西就找到了场方程的一个严厉解。黑洞作为广义相对论的预言,若干主要特征在这个解中就现已表现出了——尽管物理学家们用了很多年的时刻来发掘和了解那些特征。1939年,美国物理学家奥本海默和学生辛德对恒星崩塌为黑洞的进程进行了研讨。这些都在必定程度上支撑了广义相对论对黑洞的预言。但这些研讨都假定了严厉的球对称性,而实际国际里的恒星虽挨近球形,却不或许是严厉球对称的。因而,这些研讨作为对黑洞的预言都不行坚实。对恒星能否崩塌为黑洞,乃至黑洞能否存在,其时仍有很多置疑——置疑者中包含了爱因斯坦自己。

彭罗斯对黑洞研讨的重要奉献是,他采用了在其时的广义相对论研讨中还很新颖的几许与拓扑办法,在不依赖对称性的很遍及的条件下,证明了作为黑洞中心组成部分的奇点的呈现是广义相对论的必定推论。他的这类研讨最早的一项完结于1965年,但那项研讨仍假定了一个物理上无法建立乃至有或许不成立的条件,然后并不能彻底消除对黑洞的置疑——或者说仍不行“坚实”。1970年,彭罗斯与霍金协作,去掉了那个条件,得到了一个更遍及的定理——即“霍金-彭罗斯奇点定理”。这个定理的一切条件都很实际,比方可在大质量恒星的崩塌进程中得到满意,因而它的定论,即奇点的呈现是广义相对论的必定推论,也就十分坚实。诺贝尔委员会所说的“发现黑洞的构成是广义相对论的坚实预言”指的便是这个——重点在“坚实”二字上。

问:作为一名数学物理学家,彭罗斯以纯理论的效果取得诺贝尔物理学奖,在近年是十分罕见的,对此您怎样点评呢?

卢昌海:诺贝尔物理学奖一般颁给严重的观测、试验或与这两者关系密切的理论研讨。纯理论的研讨也并非不能获奖,但一般要比及其预言被观测和试验所证明——即不再是“纯理论”——的那一天。不过,彭罗斯的研讨跟以往获奖的纯理论研讨有些不同,它自身并不预言任何东西,而仅仅替广义相对论作出了一个“坚实预言”——那预言不管被推翻仍是证明,影响的都是广义相对论而不是彭罗斯的研讨,后者的正确性只取决于它的数学推理的正确性。从这个含义上讲,彭罗斯的获奖效果更挨近数学定理——只不过是以广义相对论为结构的数学定理。可是,这样的数学定理关于提醒广义相对论的性质有十分重要的价值,从这个视点讲,它的性质虽是数学,范畴却是物理,取得诺贝尔物理学奖尽管罕见,却并不“僭越”。

问:您在微博上说:“从某种含义上讲,本年的诺贝尔物理学奖或许会成为一种为难。由于未来人们提起本年的诺贝尔物理学奖时,最简略想到的便是霍金。霍金的巨大威望固然有很大份额来自他的身体条件,但他在黑洞研讨上的本质奉献也并不亚于——乃至能够说是高于——彭罗斯。霍金的不获奖原本是说得通的,由于他的研讨是纯理论的,尽管黑洞自身的观测依据现已很强,直接验证他的理论却仍然近乎不或许,然后不获奖也说得通。但彭罗斯的黑洞研讨是相同类型的,他的获奖直接推翻了霍金不获奖的理由,且这种推翻并不是根据霍金逝世之后才呈现的新论据,然后使霍金的不获奖成为了诺贝尔奖的一次无可推脱的缺漏,而且特别有目共睹。”对此,您能简略打开描绘一下吗?别的,霍金咱们在世,能否取得这一奖项?

卢昌海:彭罗斯的姓名常常和霍金的姓名连在一起,这不是偶尔的。这两人合写过论文也合著过书,前面说到的“霍金-彭罗斯奇点定理”便是一个比如。诺贝尔委员会在获奖效果介绍中对彭罗斯1965年的研讨着墨较多——或许由于那是彭罗斯一个人的效果。但如前所述,那项研讨其实不行“坚实”。与彭罗斯根本一起,霍金其时也在研讨奇点,两人1970年协作得到的“霍金-彭罗斯奇点定理”才满足“坚实”,真实称得上是“发现黑洞的构成是广义相对论的坚实预言”。因而,霍金对此次获奖效果的奉献也是很大的。除此之外,霍金还在黑洞热力学、“黑洞无毛发定理”等方面做过重要研讨。因而我在微博上说,“霍金的巨大威望固然有很大份额来自他的身体条件,但他在黑洞研讨上的本质奉献也并不亚于——乃至能够说是高于——彭罗斯”。

至于我说“本年的诺贝尔物理学奖或许会成为一种为难”,倒不是觉得彭罗斯的获奖有何不妥——如前所述,我对他的获奖是持必定态度的。我乃至期望往后有更多纯理论的研讨取得诺贝尔物理学奖,由于这类研讨其实早已是现代物理研讨的重要组成部分了。只不过,彭罗斯的获奖使霍金的不获奖变得很杰出,所谓“为难”指的是这个。诺贝尔奖的提名记载有50年的保密期,等最近几十年的记载解密之后,我信任人们会看到霍金取得过很多提名。关于他的不获奖,仅有说得通的理由便是他的研讨是纯理论的,简直不或许被观测和试验所验证。但彭罗斯的黑洞研讨是相同类型的,因而他的获奖推翻了这一理由。也因而,我说彭罗斯的获奖“使霍金的不获奖成为了诺贝尔奖的一次无可推脱的缺漏,而且特别有目共睹。”

当然,微博不或许八面玲珑,从活跃的方面讲,咱们也能够将彭罗斯的获奖视为诺贝尔奖的一次“纠偏”,纠正对纯理论研讨的偏废,尽管很惋惜地没能在霍金生前就“纠”,但毕竟也是发展。

至于霍金咱们在世能否取得这一奖项,答案在我看来是十分必定的。针对黑洞的纯理论研讨不颁奖则已,若颁奖且霍金在世,只颁给彭罗斯而不颁给霍金是不可思议的。

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