2021年12月9日晚18:40，由北京大学科学技术与医学史系开设的通选课“当代科技史”第十二讲在二教201如期开讲。本次课程我们邀请了中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、中国科学院粒子天体物理重点实验室主任、中国科学院大学教授张双南主讲。主持人为北京大学科学技术与医学史系副主任张藜教授。

张双南教授不仅是一位优秀的天体物理学家，亦是一位著名的科普大家，天文学则是一个令人充满遐想和憧憬的学科。张教授此次生动的课程报告给同学们带来了许多新的启示，将物理学、天文学与诺贝尔奖之间的关系做了一次有趣的探究，并向同学们普及了一些天文学方面的知识，最后回答了“四年三次蹭到物理学诺奖，天文学做对了啥？”这一标题提问，引导同学们思考了天文学与人类文明、公众科普之间的关系。

张教授首先解释了题目中那个活泼俏皮的“蹭”字。实际上，诺贝尔奖在其设立之时并未考虑过设立天文学奖，近代以来特别重要的天文学家做出了非常重要的贡献，却无法以“天文学”的名义获得诺奖。因此诺奖委员会使用一种变通的方法，即授予天文学家其他领域的诺奖——大部分时“蹭”物理学诺奖，偶尔“蹭”化学诺奖。上世纪70、80年代之后，天文学家基本上10年左右会分享一次诺奖。但2017年到2020年的四年间，天文学家三次“蹭”到了诺贝尔奖，其中的理由和体现的信息值得我们深入思考和探究。

一、2017年物理学诺奖授予引力波的观测

100多年前，爱因斯坦广义相对论中预言了引力波的存在，引力波的存在是时空弯曲的结果，而引力波就是弯曲时空中的涟漪。然而，那时爱因斯坦并不认为人类能够真正探测到引力波。后来的天文学家决定在这一领域深耕探，通过精密的科学实验来证明引力波的存在。

激光干涉引力波天文台LIGO应运而生，它由两个干涉仪组成，每一个都带有两个4千米长的臂组成L型，每个臂由直径为1.2米的真空钢管组成，并让激光在其内部来回反射。通过测量激光的长度变化来判断引力波是否存在。这项实验的原理看似简单，但因为要测算出一个米的微小差距，为此科学家们花费了相当长的时间，最终成功探测到引力波。

图1：激光干涉引力波天文台LIGO

2016年2月11日，LIGO项目团队发布了震惊世界的科学新闻：爱因斯坦100年前预言的引力波终于被人类“听到了”！而这项令人振奋的实验结果，在次年即获得诺贝尔物理学奖。

二、罗杰·彭罗斯在黑洞研究领域的成就

“黑洞研究获得诺奖一直是众望所归的，黑洞研究者们已经等待太久了。”

2020年诺贝尔物理学奖颁给了罗杰·彭罗斯（Roger Penrose，1931-）表彰他发现黑洞形成是广义相对论的一个可靠的预言，还有莱因哈特·根策尔（Reinhard Genzel, 1952-），安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez, 1965-），表彰他们发现银河系中心的超大质量致密物体。这三位获奖者的研究为黑洞的存在贡献了无可争议的理论预言和无可置疑的观测证据。

彭罗斯利用数学的方法解决了物理学家一直没有解决的难题。彭罗斯认为，广义相对论很复杂，详细的数学讨论很困难，因此大部分关于引力塌缩的精确计算都假设了球对称，然而，这无法讨论引力（波）辐射，因为这至少需要四级结构。即长期以来物理学家所做的理想假设存在缺陷。但根据彭罗斯的理论，他认为在视界里面，俘获面必须形成，然后物质不能回头，最终形成奇点。俘获面的形成不依赖于球对称假设。从此奇点形成被学术界接受了，找到足够致密的天体也就等效于找到了奇点——黑洞，除非广义相对论失效。

图2：彭罗斯仅2.5页长的诺奖论文

三、为什么霍金不会得诺奖？

有人认为，既然霍金和彭罗斯共同提出了著名的霍金-彭罗斯奇异性定理，即如果霍金在世，他会获得2020年的诺奖吗？但事实是，也许霍金一生都无法获得这一殊荣。

这要从诺贝尔奖颁布的原则和霍金的成就讲起。虽然霍金—彭罗斯定理提出了一个关于时空奇异性的新定理，但该定理在很大程度上包括而且推广了（彭罗斯）先前已知的结果，其原创性不高，因此不能获得诺贝尔奖。

图3：霍金与伟大的“霍金辐射”

另一方面，霍金最伟大的科学成就其实是提出霍金辐射，如果霍金不以他最重要的科学成就获得诺奖，就对他不够尊重。这又不得不使人想到爱因斯坦获得诺奖时令人啼笑皆非的故事。1922年11月，瑞典诺奖委员会宣布爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖，但是特别说明了是奖励“光电效应”，没有考虑“相对论”！“光电效应”作为量子物理学的基础之一，确实配得上诺奖，但作为一生“反对”量子物理学（其实是质疑量子力学的完备性）的爱因斯坦以此获奖不得不说是一种“以子之矛攻子之盾”式的讽刺。他既没有出席颁奖，也没有发表获奖感言，后来补作的诺奖演讲题目是“相对论的意义”。

诺奖委员会为了避免这种尴尬的局面再度发生，肯定是尽可能将诺奖颁发给科学家最重要的科学成就。然而，霍金辐射理论非常超前，目前还难以被观测或实验所证实，诺奖物理学委员会无法将诺奖颁发给他，这是诺奖的规则之一。

四、发现银河系中心的超大质量致密物体

2020年莱因哈特·根策尔（Reinhard Genzel, 1952-），安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez, 1965-）因发现银河系中心的超大质量致密物体而与罗杰·彭罗斯共享了物理学诺奖。这两位科学家利用欧洲和美国最先进的地面天文望远镜，对银河系中心的恒星做了几十年的观测，发现这些恒星始终围绕着一个点在运动，正如我们太阳系中所有的行星围绕着太阳运动一样，而这个物体的质量也因此被测量出来。

然而，这个“超大质量致密物体”按理说就是我们理论意义上讲的黑洞，然而诺奖委员会为何没有直接使用黑洞，而是选择了“致密物体”这样的表述，其做法耐人寻味。

图4：窥测银河系中心

这一做法与科学方法的三次飞跃息息相关。张教授认为，科学方法共有三次飞跃，第一次是希腊科学从形而上学到实在精确的科学；第二次是科学革命，即从观察思辨的科学到实验科学；第三次则是现代科学，从实证的科学走向证伪的科学。著名科学哲学家卡尔·波普（1902-1994）认为，应当放弃传统归纳法，主张经验证伪的科学方法原则。该理论认为，科学理论永远不能被证明是正确的，但是能够被证伪，也就是能够而且应该被决定性的实验检验。因此一个科学理论必须是可证伪的，也必须是通过实验或观测可证实的。诺奖物理学委员会作为波普主义者，谨慎地使用了“致密物体”这个词。证实可以增加我们对原有理论的信心，但是不能证明该理论是正确的；然而，证伪能够改进理论，即找到原有理论的适用边界或者发展出新理论。因此，即使我们对该物体的观测结果都和理论预言的黑洞的性质一致，原则上我们也无法“证明”该物体就是黑洞。如果能够有证据表明银河系中心的致密物体不是黑洞，那意义更大，更应该获得诺奖！

五、是否真的存在地外文明？

是否有外星人和地外文明存在，是一个令人遐想的问题。德雷克方程的结果告诉我们，宇宙中外星文明的数量一定大于1，但目前我们仍未发现外星文明的存在。2019年的物理学诺奖——太阳系外行星研究，便与外星人和地外文明的探索息息相关。

图5：外星人是否真正存在？

2019年诺贝尔物理学奖颁布给Peebles，奖励他对物理宇宙学的理论发现：宇宙微波辐射作为大爆炸遗迹的理论预言以及宇宙大结构形成理论等一系列奠基性理论发现；以及马约尔（Mayor）和奎洛兹（Queloz）师生，奖励他们发现了绕一颗太阳型恒星运行的太阳系外行星，开创了一个新天文研究领域：太阳系外行星。

然而，在马约尔和奎洛兹于1995年观测到的行星飞马座51b以及拟合的恒星运动速度的正弦时间函数之前，其实还有3次“首次”发现太阳系外行星，但只有这第4次“首次”发现是最令人信服的。

为了寻找太阳系外行星，天文学家们使用了测量恒星运动的多普勒速度法、行星对恒星光线的遮挡、直接拍高分辨率照片、微引力透镜的方法进行探索。然而，目前我们只找到了一些所谓的宜居行星，并没有找到真正的地球2.0，更没有找到外星人。

六、启示与思考：天文学做对了什么？

上海交通大学联合《科学》杂志发布了125个科学问题。在这125个科学问题中，天文学的数量排名第一。天文学作为最古老的学科，孕育了现代科学，在今天仍然是生机勃勃的最前沿、最重要的学科之一。

天文学对现代科学的建立具有非凡的意义。从亚里士多德的地心说，再到托勒密的地心-本轮说，哥白尼提出日心说，开普勒提出三定律，伽利略发明天文望远镜进行观测实验，再到牛顿最终建立现代科学。仰望天空、刨根问底带来了现代科学！

最后来看课程开头的问题，即回答天文学究竟做对了什么：

1、天文学为科学发展做出了贡献，建立了现代科学，不断提出新的大问题。

2、拓展了人类对自然和宇宙的认识，丰富了人类文明

3、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

4、扩大了公众对科学的参与，加强了公众对科学的支持。

近年来黑洞和天体物理成为诺奖热门，可能很大程度上也反应了社会的关注度越来越大，这可能也是诺奖的考量因素之一。毕竟科学对人类的贡献除了技术进步之外，对自然和宇宙的认识可能更重要，而这也构成了人类文明的重要组成部分，这正是天文学和天体物理的研究成果得到了广泛社会关注度的重要原因之一。

课堂合影

文：李馨

编辑：张雪梅白羽贝