今年的諾貝爾物理學獎再次頒發給了宇宙學,並且是對黑洞的研究和發現,其中之一就是羅傑·彭羅斯在1965年通過數學的方法描述了恆星到黑洞演化的過程。
再一個就是美國和德國的兩位天文學家發現銀河系中心的超大質量黑洞,於羅傑·彭羅斯分享了這次諾獎的獎金。
可以看出他們三個人都是因為對黑洞的研究做出了突出貢獻而斬獲科學界最高榮譽的,這就讓人們難免想起另外一個研究黑洞的理論科學家:霍金。
霍金生前除了喜歡接受媒體採訪,說一些不怎麼著邊的、關於人類未來的預言以外,他一生中大部分時間都在研究黑洞,並且還與羅傑·彭羅斯是好友,他們兩個一起提出了奇點理論;
認為空間中存在一個密度無限大、溫度無限高的點,而且時間也存在一個開始,這個我們至今都無法理解的奇點就存在於黑洞的中心,以及20世紀60年代左右,大爆炸宇宙模型提出來的宇宙誕生的奇點。
霍金在人類理解黑洞上,確實做出了貢獻,所以很多人認為既然和霍金一起工作的羅傑·彭羅斯這次斬獲諾獎,那麼霍金如果活著,他也應該會獲得這次諾獎,讓其人生更加完美,畢竟霍金生前還沒有獲諾獎的經歷,所以很多人為霍金感到惋惜。
其實我想說的是,就算霍金依然健在,他這次也無法獲獎,只能眼睜睜的看著其他人因為黑洞的研究而獲獎,這對他來說應該算是一次打擊吧。
那麼為啥霍金不能獲獎呢?
首先我們說下這次為啥會頒給黑洞,為何是今年,而是是往年的任何一年呢?
原因在於去年,2019年的時候全世界眾多的科學家聯合起來,利用分佈在世界各地的8個射電望遠鏡組成的陣列,拍攝到了人類歷史上首張黑洞照片。
讓我們真真切切的看到了黑洞的模樣,這算是對黑洞真實存在的一次偉大的觀測,證實這個曾經在理論上存在的奇異天體並非只是理論預測。
你可能會問,那麼在這張照片之前,我們不是已經知道黑洞存在嗎?確實,在這張照片之前我們有很多的證據都表面黑洞確實存在,但都是間接的證據。
例如,我們可以在一個星系的中心觀察到比較大的射電源,在理論上這是黑洞的物質噴流。但是僅靠射電源我們也不能說這一定就是黑洞產生的。
科學是嚴謹了,在不能排除一切可能的時候,我們不能妄下結論,認為這就一定是黑洞。
上圖就是M87星系中心的射電源,能夠延伸數十萬光年,但我們並沒有看到黑洞的身影。還有下圖這樣的,在不同的波段下,我們依然能看見星系中心的物質噴流。
但這些都不是黑洞存在強有力的直接證據。除了核外星系以外,我們還在自己的銀河系中心發現了強射電源。
上圖是我們通過斯皮策、哈勃、錢德拉三個望遠鏡在紅外線、近紅外線、X射線波段下對銀河系中心的觀測結果,可以看出黃色方框中的區域比任何地方都要明亮。這其中肯定有不一樣的東西存在。
那麼到底存在什麼?我們繼續對方框位置的區域進行放大,利用無線電望遠鏡進行觀測,可以看到銀河系的中心非常擁擠。在放大了1光年的尺度上,我們就會看到一個明顯的射電源。
也就是黃色箭頭的位置,這就是銀河系的中心人馬座A*,在前景恆星的襯托下,這個位置非常小,也看不到有什麼異樣。但是科學家在對其周圍恆星的運動進行長時間的觀測以後發現;
圍繞這個中心運行的恆星速度非常快,根據簡單的引力理論,我們就能算出這個位置的質量達到了400萬個太陽。
上圖就是科學家對銀河系中心黑洞附近恆星軌道極其運行速度的模擬,這次觀測確定了銀河系中心黑洞的存在。
也是這次獲得諾獎的原因。那麼為啥這個諾獎現在才發呢?因為同樣的,你沒有看到黑洞真真切切的存在,只是利用周圍恆星的運動間接的判斷了黑洞的存在。
同樣的,羅傑·彭羅斯雖然在上世紀就有數學嚴格的描述在廣義相對論框架下恆星到黑洞的演變,但是我們在觀測上沒有確切的證明黑洞存在,所以依然不能獲諾獎。
2019年我們看到了黑洞,所以有關證明黑洞存在的研究和理論,就在今年獲獎了。
這也說明諾獎只會頒發給一個完整、且成熟的科學理論。那麼什麼是一個完成、且成熟的科學理論呢?
我認為有三點:
首先一個新的、成功的科學理論需要對已有科學理論能夠解釋的所有現象包容,且能解釋已有科學理論無法解釋的現象。例如廣義相對論包容牛頓理論,且能解釋牛頓理論無法解釋的水星異常進動問題。
一個新的、成功的科學理論需要提出一個或者多個以前任何科學理論沒有提出過的預言,且這個預言能夠被實驗和觀測去證偽。例如廣義相對論提出了星光彎曲,且已經被證實。
最後就是這個新的科學理論所提出的預言被實驗和觀察證實是正確的。
滿足以上三點,我們才能稱其為是一個完成、成熟的科學理論,如果這個科學理論對某一領域做出了巨大貢獻,或者是改變了人類的生活方式,那麼肯定會獲得諾獎。
(當然提出這個理論的人還要健在,我們現在想給愛因斯坦再頒一次諾獎已經不可能了)
瞭解了以上的所有,我們就能知道為何霍金就算健在他也無緣這次諾獎。
首先彭羅斯獲獎的理由並非是黑洞奇點理論,有關奇點的任何說法和描述目前都只在理論層面上,我們無法對奇點的任何情況進行科學描述,因為在奇點處,我們已知的科學理論都將崩潰、無法工作。
說白了,奇點到底是啥,有沒有?我們一點都不瞭解,所以諾獎是不會頒發給這樣的理論的,他不是一個完善、成熟的科學理論。
以前我們認為宇宙大爆炸也起源於奇點,但是我們也儘量的去規避存在奇點的問題,因為無法描述,所以在上世紀八十年代,我們提出了暴漲理論,認為宇宙熱大爆炸狀態起源於指數膨脹的真空能量狀態,而並非所謂的奇點。
但黑洞坍縮的時候好像無法迴避奇點問題,所以未來我們還需要對黑洞中心到底是啥,做進一步研究。
因此這個理論並不可以讓霍金斬獲諾獎。
其次霍金關於對黑洞最大的研究就是黑洞輻射現象,這是量子力學和相對論在黑洞問題上的一次完美融合,霍金認為黑洞並不是我們認為的只吃不進、黑洞不黑。
它也會因為真空中存在虛粒子的量子波動、以及事件視界面處的超強引力,使得一個虛粒子掉入黑洞,變為實粒子。
那麼為了保證能量守恆,所以另外一個虛粒子就會從黑洞中獲取能量發生逃逸。黑洞在損失能量的時候,質量就會變小。最終一個黑洞就會因為真空中的量子波動而完全蒸發掉。
這個理論目前已經被科學家廣泛的接受,但是唯獨缺少的就是,霍金所提出的黑洞輻射非常緩慢、強度也非常低,比充滿全空間的微波背景輻射的溫度還要低。
這就意味著霍金一生中最大的成就,可能永遠都不會被觀測證實。
這也意味著黑洞輻射,可能也會和弦論一樣,看起來非常優美,但是它並非是一個完整的科學理論。所以諾獎是不會頒發給霍金的。
霍金就這麼一個大成就嗎?其實就這麼一個,在霍金提出黑洞輻射以後,隨之而來誕生了很多問題,例如黑洞信息悖論。
任何掉入黑洞的物體,例如人、錢包之類的物體,都不能從黑洞再次逃逸,但是黑洞總有一天會因為霍金輻射變為純能量而蒸發掉。
那麼掉入黑洞的物體所包含的信息也就丟失了,而量子力學認為宇宙中的信息是守恆的,所以就產生了所謂的信息悖論。
在出現這個問題以後,霍金往後的所有時間基本上都在為這個問題找補。
所以,霍金就算健在也無法獲獎。