原创 张双南 我是科学家iScientist 收录于合集 #大家是科学家 · 演讲关集 179个

　　2022年8月27日，“科普华夏-所有人是科学家”第39期现场，中科院粒子天体物理中枢实验室主任、中科院高能物理试探所探索员、“慧眼”天文卫星首席科学家张双南带来演讲《4年3次‘蹭’到物理学诺奖，天文学做对了啥？》。

　　各位同伙各人下午好，他们指日要给各人分享的问题是《4年3次“蹭”到物理学诺奖，天文学做对了啥？》。为什么叙蹭到呢？原故诺贝尔西席生前不太喜好天文学，是以我们建立诺贝尔奖的时间没有设置天文学奖。天文学家要想取得诺奖，只能始末蹭其余学科，蹭得最多就是物理学。

　　有人感应天文学家的做事是查察星座和天象，比如算命。也有人感觉天文学家能预报气象，昨年的诺贝尔物理学奖可就是给预报气象的科学家团队，此中有一位照旧天文学家。尚有不少人以为天文学家的做事是拍斑斓的星空照片。这凿凿是他们干的事，只可是大家不肯定要披着军大衣执政外拍，所有人用自己研制的望远镜来拍。也有人认为天文学家的办事是寻求相对论和黑洞理论。我们奇特想做这个事宜，但做得还不太好。

　　搜索月球和火星终究是不是天文学家的探索周围？这个题目前两天还在磋商。最近科学院在做极少事情，一个实践途座。讲座中，有人叙这不是天文学家要干的工作，我们叙武断赞成天文学家干这个事宜。这件事太遑急了，天文学家也要试探。也有好多人感到搜求外星人是天文学家干的事件。当然，在场的人人都拟订天文学家的工作是蹭别人的诺奖。

　　2020年的诺贝尔物理学奖颁给了一位可靠地预言黑洞酿成并大白黑洞生计的科学家，我可以道大家是天文学家，也能够谈他们是物理学家，还可能叙他们是数学家，全班人凿凿是英国一所特别闻名的大学的数学系熏陶。

　　近几年，大家几乎每年都邑收到邀约，参与诺贝尔物理学奖颁奖直播解谈。除了2017年我们承袭了最早邀请我们的一家平台外，其全班人的所有人也都屏绝了。圮绝的来因和“蹭”特地有相关。

　　诺贝尔教授生前没有创立诺贝尔天文学奖，所以天文学家想要得到诺奖就要靠“蹭”其余学科。蹭得最多的是物理学，偶尔也蹭化学的。但诺奖终归是其余学科的，偶尔蹭一个还能够，总是如斯是弗成的。以往的经验奉告大家，差未几十来年，天文学家可以获胜地蹭到一次诺贝尔物理学奖。

　　2017年，我们计较确信，天文学能蹭到诺奖，是以所有人介入了一场诺贝尔物理学奖直播。居然，天文学获得了那一年的诺奖。既然蹭到2017年的诺贝尔物理学奖了，那下一次要等到猴年马月。因此，全班人阻遏了之后几年的诺贝尔物理学奖直播邀约。假若不是天文学的探索获奖，我坐在直播间会很对立。

　　然则，2019年，运气不错，天文学又得了诺贝尔物理学奖。2020年，全部人仍然断绝了完全诺贝尔物理学奖直播的邀请。颁奖时，我正和一个错误在一家特地小的餐馆喝点小酒。手机变得卓殊蓬勃。黑洞的查究得诺贝尔物理学奖了。客岁，也即是2021年，全班人先不说结果是谁取得诺贝尔物理学奖，到末尾再揭开这个谜底。

　　总而言之，若是是全部人这个行当的人，也没有预想到天文学的寻求居然会这么屡次地蹭到诺贝尔物理学奖。

　　毕竟天文学家、天文学做了什么事情使得天文学的探求一再地蹭到诺贝尔物理学奖？

　　先回到2017年，引力波的探求得到了诺贝尔物理学奖。引力波和万有引力是有关联的。笔据的牛顿的万有引力定律，任何两个物体之间都存在着引力。两个物体之间的间隔一旦改变，这个引力就会变动。当大家们在演谈的场地挥手时，我们和台下坐着的观众之间的隔绝就会更动。要是观众对引力的感到特别敏感，就会立即觉得到大家们的手的引力的改变，尔后会和大家问好，道“张教育好！”

　　但题目在于，他的手和天下中完全天体之间的隔绝城市改正。天地中的整个天体城市谈“张教育好”吗？

　　爱因斯坦会说，这不科学，谁都做不到，张教化凭什么能做到这一点。清楚这有题目。

　　凭单牛顿的万有引力定律，天体说“张教导好”是可行的，不过爱因斯坦在1905年提出狭义相对论理论时，就已经真切道了，任何音尘的传达速度不能凌驾光速。张熏陶一挥手的这个引力是不恐怕瞬时传遍宇宙的。

　　凭证牛顿的万有引力定律，地球和太阳之间有一根绳子，这个绳子便是万有引力。是以地球跑不了，只能被太阳拉着在那里转圈。然则，爱因斯坦感到这个绳子是不能存在的。

　　爱因斯坦感觉是由于太阳的质料很大，导致它周围的空间妨害了。地球在妨害的空间里活跃时只能拐弯。空间曲折了只能拐弯。

　　就肖似全部人在高速公路上开车，高速公途前面须要拐弯。那天，我的性情恰好不好，又要赶路，途，所有人就是不拐弯，就要直着跑。那这肯定不是一个好闭幕。地球也“剖析”这一点，所以地球会在滞碍的空间里拐弯。这即是地球绕着太阳转的起因，太阳周围的空间打击了。

　　爱因斯坦在1915年思到了这个问题，提出了广义相对论理论。第二年，1916年，他就判辨到倘使是有云云两个天体，每一个都使它边沿的空间扭曲了，这两个天体彼此绕转就会使得打击的空间向传闻递，这个传递出去的货物即是引力波。爱因斯坦在1916年就领悟到必须要有引力波。

　　爱因斯坦同时又做出了一个很危殆的预言，我们们讲人类长期也不大概探测到引力波。为什么？

　　原因爱因斯坦做了规画，全班人表现云云的空间扭曲从远处的天体传到地球的时辰，这个扭曲的空间如故变得出格特殊小了。所有人没有步伐感觉到这个扭曲的空间。换句话叙，爱因斯坦感应人类永恒也不或者有可能精准地寻求到空间的扭曲的方法。

　　不过，科学家有一个特殊“阴恶”的袭击，便是打其余科学家的脸。科学家越是牛，人人就越思打所有人的脸。打爱因斯坦的脸无疑是最过瘾的事务。

　　是以爱因斯坦途引力波生计但探测不到，科学家就要思尽统统设施去探测引力波，去打爱因斯坦的脸。比思打爱因斯坦的脸还要“阴毒”的是，要用一个特别狠的程序去打爱因斯坦的脸。这个办法是什么呢？

　　激光，是爱因斯坦提出来的激光理论。因此，就是用爱因斯坦的矛攻爱因斯坦的盾。从上个世纪八十年月起，就有一批科学家开端配置激光干涉引力波天文台（LIGO）。

　　在沙漠里修两个四公里长的真空管道，动画中体现是当引力波抵达地球的功夫，空间的扭曲就等于真空管途的长度发生的变更，一个变长的同时，另一个就变短。之后，激光在两个真空管道里面分别来回地反射，原委反射之后，来让这两束反射的激光实行干扰。这是激光危殆的本质。凭单爱因斯坦提出的激光理论，必定会有如斯的终结。历程如斯的干与，就可能勘察出来长度的变动。倘使可以获胜地勘测出来，那么就能打爱因斯坦的脸了。

　　然而这项事并不轻易。从上世纪八十年月开头，差未几1000个人历程了30年的奋发，终究在2015年，用寰宇上最严谨的勘察仪器探测到了引力波。

　　这个仪器邃密到什么水平？可能勘探在不到一秒钟的光阴里，谁人四公里的长度出现10-18次方米的变更。

　　头发丝的直径大抵在10-6米这个数量级，肉眼能看到头发丝的粗细，比头发丝还要细的，全部人的眼睛大概都看不到了。比头发丝直径小一万倍的是氢原子的大小。然而氢原子内中利害常空的。不断到氢原子正主旨的园地还要再小10万倍，才是氢原子核的大小。但氢原子核照旧太大了。氢原子核的千分之一是10-18米。

　　人人可能联想一下，四公里长的真空管途，这个真空管路的长度转移了一个原子核的千分之一，况且这个蜕变发作在不到一秒的期间内。勘测到它所前提的才具的精度是难以想象的。因而爱因斯坦才会在大家感应引力波生活的同时，预言人类永远不恐怕开发出来这么精细的勘探仪器。

　　科学家终归仍旧配置出了这个仪器。在2016年，大家们打脸爱因斯坦成功了。虽然，全部人谈的是，“WE DID IT!”翻译成“我探测到了引力波”，现实上原话的“WE DID IT!”也是在谈“所有人打脸告捷了！”

　　视频中两个黑洞彼此绕转，爆发绿色的波纹即是引力波，末了过程了13亿年的期间，终究传到了激光过问引力波天文台，被探测到了。

　　2016年，科学家颁发探测到了引力波。2017年诺奖直播，主持人让大家们瞻望什么探求会得诺贝尔物理学奖。所有人路，肯定是引力波，假使不是就没有天理。

　　2019年和2020年的诺贝尔物理学奖都与黑洞有关，他们跳过2019年，直接讲2020年诺奖。2020年的诺贝尔物理学奖的此中一半给了一位称我们为天文学家、物理学家，或数学家都可以的科学家。总而言之，天文学蹭了那一年一半的诺贝尔物理学奖。

　　大家粗糙地了解一下这位获奖的老西席。让大家获奖的论文写于1965，获奖是来因我表现黑洞形成是广义相对论的一个信得过的预言。于是，要念获得诺奖不仅仅是要做出惊天动地的科学寻求成就，身段也得相称好。从1965年到2020年过程了多少年，在这数十年中，每年都有也许获诺奖，所以后要维系陶冶身段，坚持到最后能获奖的那整天。

　　彭罗斯的这篇论文不长，假设把参考文献去掉或者惟有2页。短短一篇论文，如何得到的诺贝尔物理学奖？这篇论文里最遑急的就在这张图里：

　　一张图，一段话：俘获面（trapped surface）彻底俘获了人人！

　　画中的黑的圈就是俘获面（trapped surface）。这个概念怎么来的？

　　在彭罗斯写这篇论文之前，学术界仍然了然宇宙旁边很或者存在黑洞，况且从理论上途，也理当是有的。情由那时科学家还是计算出在广义相对论里保存着一个奇点。尚有科学家依然注脚了假如有球对称的质地在引力的感化之下慢慢地聚成一团，终局也会形成黑洞。

　　然而大家是借使了球对称，大家清晰在信得过的天下中是不会有全面的球对称的。彭罗斯的这篇论文就解路了，假使是在通常的境况下，在黑洞的视界里也会有俘获面这个货物。俘获面必须造成，即便不是球对称。物质一旦跨越了俘获面，就只能弗成阻止地到达焦点的奇点，奇点就是自然地会生计。

　　由于彭罗斯的这项做事，学术界担当了奇点在泛泛情形下能够自然地变成的见解。既然奇点能够自然地造成，举动做天文稽查、探寻天文望远镜的人，当大家们把天文望远镜放到太空对黑洞进行查看时，只须进程他们的巡查可以找到多余仔细的天体，就等效于找到了奇点，除非广义相对论失效。换句话说，借使广义相对论理论是正确的，大家找到的这些多余精细，也许说质地有余大、湮灭的空间足够小的天体，就该当是黑洞了。

　　这篇论文是黑洞理论查究的奠基性的论文。既然如许，1965年写的论文，为什么到2020年才获得诺贝尔物理学奖？就是为了测验彭罗斯教练演练身材意志有多么武断吗？并不是如斯。

　　上图是彭罗斯这一篇文章的被引用数量的统计图，横轴是时期，从全部人发布论文初阶 1965年发端，接续到比来。纵轴是每年有若干篇论文引用了彭罗斯的这篇论文。

　　直到本世纪的发端，这篇论文的引用不时是不温不火；然而从本世纪初步，对这篇论文的引用数量就飞疾地上涨、指数地高潮。这是由于，进入本世纪后，对黑洞的稽查搜索赢得了分外大的起色。科学家为了理解这些查察的形势，发端大方地引用这篇论文。这篇论文的沾染力初阶阐明出来。这篇论文以它的传染力制服了诺奖委员会。虽然，前提是全班人们的身体要多余好。

　　在取得2020年诺贝尔物理学奖后，彭罗斯才被更宏壮的人所领会，以前在学术圈外，险些没有人明晰他们是所有人。提到探索黑洞的科学家，人们会想到霍金。也会有人说，假若霍金在世，这回诺贝尔物理学奖理应颁给全部人，而不是彭罗斯。彭罗斯可是是理由和霍金悉数颁发了一篇紧迫的论文才知名的。

　　假若霍金在世，真的会得诺奖吗？霍金跟彭罗斯相助写的这篇论文叫做《特别性定理》（The singularities of gravitational collapse and cosmology）。约略地谈，这篇文章提出了一个新定理。但这个定理在很大水准上搜求并添加了先前已知的完结。而文章推广的即是1965年彭罗斯揭晓的那篇看待俘获面的论文。换句话叙，这篇论文是对于彭罗斯那篇论文的推广，所以不是最原创性的论文。即使这篇论文提出了一个合用节制更广的定理，但彭罗斯那篇文章的原创性更强。霍金-彭罗斯定理原创性亏欠强，仅靠这个试探应该不能取得诺奖。因而，所有人感触既使是霍金在世，2020年的诺贝尔物理学奖也不会颁给霍金，依旧会颁给彭罗斯。

　　2017年诺贝尔物理学奖直播我们谈过，引力波不得奖就没有天理，然而霍金不会获奖，永远不会。霍金一生做出的后果许多，特别超卓的有三个。此中第三大科学成就就是黑洞的面积不减定理。前面看到的2017年诺贝尔物理学奖引力波示范视频呈现出，两个黑洞并合在全盘，末了形成一个黑洞爆发引力波。谁人闪现也验证了霍金的第三大科学成果，面积不减定理。彼时，霍金教授的身体还是很不坚硬了，正好他的一个很危急的科学成果获得了巡逻的验证，有人路诺奖委员会理当在这一年给大家宣布诺奖。

　　为什么全班人会叙霍金不但那一年不会取得诺贝尔物理学奖，恒久也不会取得诺贝尔物理学奖呢？2020年诺奖得到者的探寻其实和霍金第二大科学后果有关。我们的第二大科学后果即是和彭罗斯提出的特殊性定理。上面说路，特别性定理的提出当然合用限制更广，但原创性不敷，因此，倘若2020年的诺贝尔物理学奖和黑洞搜索有合，但得奖者也不会是霍金。

　　不光云云，参考爱因斯坦和诺贝尔奖的奇葩过往，我也有原故臆度霍金教师永恒也不会取得诺贝尔物理学奖。

　　1922年诺奖委员会给爱因斯坦发的电报叙，爱因斯坦西宾，道喜您取得了去年的诺奖。当时，爱因斯坦正在前往亚洲游览的船上。

　　瑞典诺奖委员会1922年11月宣告爱因斯坦取得了1921年的诺贝尔物理学奖

　　告诉爱因斯坦获得去年的诺奖，这件事本身如故很奇葩了。常日来说，都是每年的十月份，宣告当年的诺奖花落全班人家。在爱因斯坦之前，还没有产生过在一年诺奖上同时宣告旧日和旧年的得主。1921年，诺贝尔物理学奖没有给与任何人，诺奖委员会感觉相对论理论还没有获得验证，至少获奖委员会是这么觉得的。因此爱因斯坦西席不应当获得诺贝尔物理学奖。然则，1922年诺奖提名时，提名爱因斯坦的人是空前的多。诺奖委员会深深地感触到了危机，科学界大概要抗争了。

　　诺奖委员会从1910年发轫，每年都绝交给其时可以谈是最驰名的物理学家爱因斯坦诺奖。依然阻遏12年了，再不给，诺奖委员会可能不好办。全部人思了一个程序，将昨年的诺贝尔物理学奖颁给爱因斯坦诺奖，而且是赞扬爱因斯坦对光电效应的劳绩。这是在告诉爱因斯坦，对不起，颁给所有人诺奖不是情由你的相对论的后果。今天全班人转头看，和其我们一系列诺贝尔物理学奖比较，光电效应毫不失态。它是量子力学的一个奠基性的理论。

　　然则爱因斯坦格外不康乐，诺奖委员会并没有承认他们的相对论理论，虽然全部人认为相对论该当取得诺奖。以是你们没有插足颁奖仪式，当然也没有发表获奖感言。但爱因斯坦暗里领了奖金支票并兑现，这让诺奖委员会额外不欢愉。

　　究竟上，爱因斯坦是有隐私的，全班人早已签了一个关同，条目全部人务必获得诺奖，而且这笔奖金必须要给某某人。而且，爱因斯坦分析，如果大家圮绝领奖，诺奖委员会绝不会给我第二次机遇。因此，为了不违背协议，虽不宁愿，爱因斯坦也私自取了支票去兑现了。历程研商，爱因斯坦理睬在一次诺奖危机的举动上颁发获奖感言，但全班人讲话的问题是《相对论的意义》，而不是对付光电效应的。

　　关于极少科学家而言，全班人把学术荣誉看得比得到诺奖还要更重。正如爱因斯坦进展相对论得到认可，霍金也起色全部人感触自己做的最弁急的科学效率得到诺奖，所以诺奖不会给霍金授奖。对待黑洞的探求并不是霍金最宽广的科学效果，霍金辐射是霍金最巍峨的科学效益。

　　全部人平时觉得的真空即是真的空，什么都没有。而什么都没有，就是能量等于零。零是不会发生蜕变的。这就违反了一个殷切的科学事理。量子力学奉告全部人，任何事务都不能一切断定，因而它不或者接续是零。那么为了不违反量子的不必然真理，只能求变。只好从真空里借一点能量出来。转瞬能量是负的，俄顷能量是正的，平均起来是零。

　　依据爱因斯坦提出的质能干系，质量和能量是等效的，既然可能“变”出能量，这个能量就会形成（发作）正反粒子对，就等于从真空里“借”了一点能量出来。为了不违反能量守恒定律，一对正反粒子还会纠关在全面（没落），从而出现能量，把“借”来的能量还给真空。是以真空里不断有正反粒子对发生、消亡。真空并不是什么都没有，而是不时在折腾，这就叫做真空涨落效应。他们的一个探寻主意就是造卫星，正确地探测真空涨落效应。

　　霍金教师突发奇想，即使在真空里搞一个黑洞会产生什么？发作的正反粒子对，在黑洞左近不息地“偷”能量。但总有某个粒子会掉入黑洞中的，而它的“搭档”，其余一个粒子，原来念找回友人，沿路消灭将能量“还”回去，借使找不到，就等于白白地从真空里偷了能量，酿成了“小偷”。窃贼为了不被物理定律这个差人抓住，就得逃离黑洞。从远处看起来就不断地有“丢失了朋友”的真空涨落出来的粒子往外跑，这就是霍金辐射。霍金辐射既称心了量子力学的不信任原理，又满足了真空的均衡能量等于零，又速意了物质掉到黑洞里不能逃出来……这些性质一切都能得意，无懈可击，因此理应是对的。

　　应该是对的不等于就是对的，一个科学理论必必要取得实验和巡视的验证后，才力被继承。霍金提出霍金辐射后，科学家们做了形形色色的操演，列入了好多资金，然则既不能表明霍金辐射保存，也不能声明霍金辐射不生活。霍金生前有记者采大家，道霍金教师他们那么驰名气，但是却没有得到诺贝尔奖。记者的兴会是谈霍金也没有多剧烈。霍金对此不屑一顾，路那是缘故霍金辐射理论太热烈了，想验证这个理论的人程度不可。换句话说，霍金程度太高，高到了没法得到诺奖。大家做实验的人或许还要再做20到30年，才有大概展现霍金辐射。

　　演谈高朋张双南：《4年3次‘蹭’到物理学诺奖，天文学做对了啥？》｜拍摄：Vphoto

　　假如各人想领会更多引力波、黑洞的内容，款待来看张双南教育的《极简天文课》。

　　如果大家还对科学与美学感乐趣，可以祈望一下张叙授即将出版的一本书《科学措施与美学》。

　　在“他们们是科学家iScientist”后台枢纽词“张双南”，即可查阅张双南专栏合集

　　原题目：《挑衅爱因斯坦，天文学家测出比头发直径小00倍的长度转变 张双南》