10月6日，瑞典皇家科学院将2020年度的物理学奖颁给了英国的理论物理和数学家彭罗斯，德国莱因哈德·根泽尔，和美国的安德里亚·格兹教授。后面两位是天文和宇宙学方面的科学家。在这之前，我是猜想宇宙学再拿诺贝尔奖的可能性很大。我的理由主要是，现在国际上对星际探索的热度不断增加，大航天时代正在到来。人们对各种天文宇宙事件关注度非常高。不过国内好像还没有热起来。顺便说一下宇宙学和天文学的区别。宇宙学是研究宇宙整体的学科，一般偏向理论，比如宇宙的诞生和演化，星系的结构，形成，和演化。天文学更偏向观察和具体的天体，比如行星的运行，卫星的结构和构成。黑洞很神秘，是爱因斯坦提出广义相对论之后，人们推测可能存在的一类天体，它密度极高，引力极强，以至于光都无法逃脱。甚至可能只是一个奇点，密度无穷大。这种概念极难理解，爱因斯坦自己也不相信。上世纪80年代，我最早听说黑洞的时候，也将信将疑。后来由于天文观察技术的进步，也就是主要由于这次两位天文学家及同事们的工作，发现了银心黑洞难以辩驳的证据，人们不再怀疑黑洞的存在。这是瑞典皇家科学院是第一次将诺贝尔物理奖授予黑洞方面的研究工作。如果把广义相对论算上，黑洞研究已经持续了一百多年，积累了大量重大突破，如施瓦西半径，钱德拉塞卡极限，Tolman-Oppenheimer-Volkoff极限，脉冲星的发现（获过奖了），等大量工作。60年代是黑洞研究的黄金时代，主要偏理论。彭罗斯和霍金关于黑洞的理论工作主要也是六七十年代完成的。关于三位获奖者的工作。彭罗斯属于德高望重，理论工作很多，影响很大，又是老一辈，代表黑洞理论拿奖也应该算众望所归。虽然一般认为，黑洞是广义相对论的直接结论，但爱因斯坦认为，仅仅是一个数学结论，并不意味着物理上真的会成立，可能有一些别的原因阻止黑洞形成。但是彭罗斯却在理论上证明了黑洞会存在。虽然早期施瓦西，等人的工作也可以看作是对黑洞存在的证明，但是他们都不在了。彭罗斯主要是一位数学家，出名的工作很多。早期就有以他名字命名的广义逆矩阵（Moore-Penrose准逆矩阵），扭量理论，自旋网络，张量的抽象标记法，彭罗斯不等式，联系广义相对论和量子力学的彭罗斯诠释，Diosi-Penrose量子力学测量坍缩模型，彭罗斯因果图，利用黑洞能量的彭罗斯过程，利用不规则图案铺陈的彭罗斯铺陈（铺砖）法，彭罗斯变换，彭罗斯-霍金奇点理论，等等。他对人类意识在物理世界中的角色做了大量讨论。大众对他的了解，可能是因为他是一位著名的科普作家，他的名著《皇帝新脑》（1989），《心灵之影》（1994），《通向实在之路》（2004）都是畅销书，被翻译成多国文字，畅销全世界。黑洞的实验观察和验证非常重要，也很困难，同时获奖是当然的。有人认为，去年发布的黑洞照片应该获奖，但是最早确立黑洞的存在，应该是对银河系中心黑洞的观察。有了银心黑洞的确认，我们才可以相信别的星系中心也应该有大质量黑洞，才可以想办法给它拍照。诺贝尔奖强调首创的重要性工作，所以颁给了最早观察银心黑洞的团队。莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹是两个观测团队的领导人，从九十年代初以来，一直致力于克服银心黑洞观测的巨大困难。他们利用世界上最大的望远镜，想办法穿透银心周围的气体和尘埃云，直接以高精度观测靠近银心的恒星群，得到了黑洞存在的确凿证据，还大大丰富了我们对银河系中心区域的知识。补充说明一下，这次诺贝尔奖与其说是三位得奖者的荣誉，不如说是爱因斯坦的荣誉。2017年引力波获奖也可以归功于爱因斯坦。爱因斯坦关于相对论的工作，充分说明物理直觉和思考多么重要，只有这样才能产生划时代的原创工作，从而为人类的科学认知奠定坚实的，非显然的基础。爱因斯坦获诺贝尔奖的工作，对光电效应的解释，从而确立光的粒子性，实际上是他最水的工作。在我看来，他的这一工作可能是错的。他在玻色-爱因斯坦统计方面的工作都要重要得多。另外，很多人，包括爱因斯坦和我自己，都对黑洞是奇点的理论表示怀疑，而彭罗斯和霍金主要讨论的是奇点。黑洞是否存在，和是不是奇点是两回事。黑洞还有很多问题没搞清楚。以后再有人因黑洞研究而得诺贝尔奖的可能性也是有的，但应该不是现有的工作。甚至很有可能，有人因为与彭罗斯的看法不同，而再次因为黑洞获得诺贝尔奖。有人说霍金应该得诺贝尔奖。我不觉得。他如果还活着，估计还是现在的结果。他虽然提出了很多关于黑洞的观点，但是难以验证，而且未必是对的。他的黑洞辐射和信息熵理论我都深表怀疑。我们对宇宙的憧憬和探索是自然的。很幸运我们生在一个知识大爆炸的时代，我们可以了解很多前人想都想不到的东西，比如黑洞。我们也已经处在大航天时代的开始。如果我们以前只能想到环游世界，我们这一代人已经可以走到别的世界去看一看，以后，甚至可以根据我们的需要，创造出各种各样的新世界。希望我们更关注全人类的进步和发展，关注宇宙和太空探索，去迎接一个波澜壮阔，前途无限的，大航天时代的到来。虽然黑洞是黑暗的，但是我们的探索开拓之路充满光明。

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黑洞也是霍金研究的领域，为什么他没有获得诺贝尔奖？2017年就有人问过我这个问题，我的回答是霍金先生永远也不会获得诺奖。是因为霍金的成就不够大吗？当然不是。真正的原因与爱因斯坦曾获得的那一次诺贝尔奖有关。1922年诺贝尔奖委员会通知爱因斯坦以及向公众宣布，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖，获奖理由为量子力学奠基性成就——光电效应理论。尽管获奖，但爱因斯坦并不开心，他没有出席领奖活动，勉为其难地与诺贝尔奖委员会协商找了个机会发表了获奖感言，而他演讲的题目是《相对论的意义》。显然，爱因斯坦认为，相对论才是值得骄傲的成绩，他希望以最重要的科学成就来获得诺贝尔奖。有了爱因斯坦那件事后，诺贝尔奖委员会明白了一件事，对科学家来讲，不以他引以为豪的、最重要的科学成就来授予诺奖，是对他的不尊重。所以，没有给霍金先生诺贝尔奖其实是对他最大的尊重，因为他最重要的科学成就还没有被证实，没有办法给他颁奖。因此，我认为霍金先生不能获得诺贝尔奖的原因在于，霍金辐射是他最伟大的科学成就，然而检验霍金辐射太难了，在霍金先生的有生之年，科学家们都无法验证霍金辐射，不能帮他拿到诺贝尔奖。▲获得2019年诺贝尔物理学奖的三位科学家（配图来自现场PPT）发现太阳系外的“太阳系”获得诺奖2019年的诺贝尔物理学奖颁发给了发现太阳系外的“太阳系”的研究团队。外星人存在，科学不科学？其实是科学的。科学家有一个方程可以计算出宇宙以及银河系里面有多少高级文明。其中最重要的一步就是找到银河系里有多少其他的“地球”，或有多少其他的“太阳系”。找到它们，才能让我们理解宇宙中有多少文明。根据目前的理解，能够计算出外星文明在银河系里的数量是大于1的。也就是说，除了我们之外，在银河系里面至少还有一个文明。既然至少还有一个文明，我们就可以去寻找。第一步是寻找其他的“太阳系”。寻找过程非常有趣。在获得2019年诺贝尔奖的研究团队发现太阳系外的“太阳系”之前，曾经有过三次“首次”发现太阳系外的行星。第一次在1988年，有团队宣布发现了太阳系外的行星。这件事太重要了，于是大家充满质疑地去找其中的问题。结果，在轮番“攻击”下团队干脆选择放弃，承认自己错了，并把文章撤了回来。2002年又一个团队发现之前的那次发现是对的，但由于原来的团队已经撤下了文章，他们的发现也就不存在了，如果他们坚持住，也许2019年的诺贝尔奖就该由他们获得了。1989年另外一个团队宣布发现了一个恒星周围一颗褐矮星，是介于恒星和行星之间的天体。但是后来其他天文学家发现那就是一颗行星，但是原来的团队不敢说是行星，错过了一次重大发现。1992年又一个团队发现在一颗中子星周围有行星，有点像一个太阳系，但中间是颗中子星，不是恒星。我们的目标是找地外文明，中子星周围肯定没有地外文明，所以本质上他们并没有发现太阳系外的“太阳系”，尽管他们一直坚持是他们首次发现了太阳系外的行星。直到第四次有团队公布观测结果，由于观测结果比较扎实，这次宣布首次发现的太阳系外的“太阳系”，很快得到了业界的承认，于2019年获得了诺奖。前面三个团队没有获奖算是与诺贝尔奖擦肩而过吗？一个团队自己认错把文章撤掉了，一个团队根本没敢说发现了一颗行星，还有一个团队咬牙坚持，但他们发现的是颗中子星周围的行星。严格按照诺贝尔奖的标准来讲，他们还并没有与奖“擦肩”。因提出基于对称性自发破缺机制的电弱理论获得1979年诺贝尔物理学奖的美国物理学家温伯格曾说，如果有了发现，要勇于承认我做了这个发现，勇于宣布我做了这个发现，而不是说我有个发现，你们看看是不是。所以，科学家也要有宣布科学发现的勇气。当然，2019年诺贝尔物理学奖其实奖励的是两部分的成就，还有一部分奖励给一位老先生对于宇宙微波背景辐射理论的贡献。微波背景辐射发现于20世纪60年代，两位发现者早就获得了诺贝尔奖，但理论上预言微波背景辐射的科学家并未一同获奖。原因也很简单，做了这个理论预言的学者不止一位，诺贝尔奖委员会无法确定奖到底给谁，所以让大家坚持锻炼身体。最后这位老先生“跑赢”了，其他人都掉队了，因而获奖。所以，取得重要的科学成就很重要，但身体同样也很重要，一定要坚持锻炼身体。怎么能够发现太阳系外的行星？简单地给大家介绍一下。其中一种办法与多普勒效应有关，行星在恒星周围运动，行星在运动，恒星也在运动，只是运动的幅度较小。运动意味着它们发生的光谱具有周期性，冲着我们时变蓝（波长变短），背对我们时变红（波长变长）。其二是用望远镜盯着恒星看，利用上述现象，原则上会看到恒星有微小的运动。第三种办法更简单，当行星经过它的母恒星前面时，会挡住一点点光，由此能够把行星的运动测量出来。各种办法的加持以及很多年持续观测，目前科学家们已发现了超过5000颗行星，然而并没有真的找到外星人，连外星人可能居住的类似于地球这样的行星也还没有找到。所以，真的找到外星人，还有很长的路要走。▲科学史中不可或缺的科学巨匠，正因为他们仰望天空、刨根问底，带来了现代科学。（配图来自现场PPT）我们为什么要仰望星空？四年里有三次的诺贝尔物理学奖颁给了仰望星空的科学家。这些天体离我们那么远，看它们到底有什么用？2021年上海交大和《科学》杂志共同发布了125个科学问题，我发现天文学的问题有23个，在所有领域里面是最多的。一位伟大的科学家希尔伯特曾说，只要一门学科能够出现大量的问题，就说明这个学科是有生命力的。反之，如果问题很少，说明这个学科正在死亡之中。根据希尔伯特的说法，显然最古老的学科——天文学，依旧是充满生命力的一个学科。那么，我们为什么要仰望星空，而且诺贝尔奖委员会为什么喜欢仰望星空？我们从科学史中去寻找答案。从亚里士多德开始仰望星空，到托勒密、哥白尼、开普勒、伽利略、牛顿，他们仰望星空的过程一直在回答为什么天体在天上运动的问题。最终，这些答案给我们带来了现代科学，可以说，现代科学的产生就是仰望星空的结果。仰望星空的重要性不言而喻。近年来，天文学的研究获得诺贝尔奖的数量较多，其实与公众对于天文学的关注越来越多不无关系。公众关心天文学的成就，不外乎宇宙起源、黑洞、有没有外星人……2017年、2019年、2020年的诺贝尔奖就关注了这些研究。所以，诺贝尔奖考虑科学成果对人类文明的贡献。诚如诺贝尔先生生前设立诺奖时所说的，奖项将奖励推动人类社会进步的科学家。频频地“蹭”到诺贝尔奖，天文学到底做对了什么呢？天文学为人类的科学发展做出了贡献。现代科学的建立就是仰望星空的结果，不断提出大问题，拓展了人类对自然和宇宙的认识，丰富了人类文明，推动了人类进步。天文学也提升了青少年对科学的兴趣。天文教育是素质教育的重要组成部分，通过天文学的科普，天文学家们扩大了公众对科学的参与，加强了公众对科学的支持。（本文图片、视频来源于第772期首都科学讲堂）传播科学知识弘扬科学精神让科学普及与科技创新两翼齐飞