挑战爱因斯坦，天文学家测出比头发直径小1000000000000倍的长度变化 | 张双南
2022/12/28 7:00:00 未来光锥
2022年8月27日，“科普中国-我是科学家”第39期现场，中科院粒子天体物理重点实验室主任、中科院高能物理研究所研究员、“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？》。
张双南演讲视频：
以下为张双南演讲实录(上)：
各位朋友大家下午好，我今天要给大家分享的题目是《4年3次“蹭”到物理学诺奖，天文学做对了啥？》。为什么说蹭到呢？因为诺贝尔先生生前不太喜欢天文学，所以他设立诺贝尔奖的时候没有设立天文学奖。天文学家要想获得诺奖，只能通过蹭别的学科，蹭得最多就是物理学。
天文学家到底是做什么的？我列出七个可能的回答。
1.研究星座和天象：比如算命
2.观测天空，预报天气
3.披着军大衣在野外仰望星空，拍漂亮的照片
4.研究相对论和黑洞理论：比如爱因斯坦和霍金
5.探索月球和火星
6.寻找外星人
7.是蹭别人的诺奖的
有人认为天文学家的工作是观测星座和天象，比如算命。也有人认为天文学家能预报天气，去年的诺贝尔物理学奖可就是给预报天气的科学家团队，其中有一位还是天文学家。还有不少人认为天文学家的工作是拍漂亮的星空照片。这确实是我们干的事，只不过我们不一定要披着军大衣在野外拍，我们用自己研制的望远镜来拍。也有人认为天文学家的工作是研究相对论和黑洞理论。我特别想做这个事情，但做得还不太好。
探索月球和火星究竟是不是天文学家的研究范畴？这个问题前两天还在讨论。最近科学院在做一些事情，一个实验讲座。讲座中，有人说这不是天文学家要干的事情，我说坚决支持天文学家干这个事情。这件事太重要了，天文学家也要研究。也有很多人认为寻找外星人是天文学家干的事情。当然，在场的大家都同意天文学家的工作是蹭别人的诺奖。
2020年，可靠地预言黑洞形成和发现黑洞存在获得诺奖 | www.nobelprize.org
2020年的诺贝尔物理学奖颁给了一位可靠地预言黑洞形成并发现黑洞存在的科学家，你可以说他是天文学家，也可以说他是物理学家，还可以说他是数学家，他确实是英国一所非常著名的大学的数学系教授。
近几年，我几乎每年都会收到邀约，参加诺贝尔物理学奖颁奖直播解说。除了2017年我接受了最早邀请我的一家平台外，其他的我也都拒绝了。拒绝的原因和“蹭”非常有关系。
诺贝尔先生生前没有设立诺贝尔天文学奖，所以天文学家想要获得诺奖就要靠“蹭”别的学科。蹭得最多的是物理学，偶尔也蹭化学的。但诺奖毕竟是别的学科的，偶尔蹭一个还可以，总是这样是不行的。以往的经验告诉我们，差不多十来年，天文学家能够成功地蹭到一次诺贝尔物理学奖。
2017年，我比较确信，天文学能蹭到诺奖，所以我参加了一场诺贝尔物理学奖直播。果然，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。所以，我拒绝了之后几年的诺贝尔物理学奖直播邀约。如果不是天文学的研究获奖，我坐在直播间会很尴尬。
但是，2019年，运气不错，天文学又得了诺贝尔物理学奖。2020年，我仍旧拒绝了所有诺贝尔物理学奖直播的邀请。颁奖时，我正和一个朋友在一家非常小的餐馆喝点小酒。手机变得非常热闹。黑洞的研究得诺贝尔物理学奖了。去年，也就是2021年，我先不说到底是谁获得诺贝尔物理学奖，到最后再揭开这个谜底。
2017、2018、2019、2021年四次物理学诺奖｜www.nobelprize.org
总而言之，即使是我们这个行当的人，也没有预料到天文学的研究竟然会这么频繁地蹭到诺贝尔物理学奖。
到底天文学家、天文学做了什么事情使得天文学的研究频繁地蹭到诺贝尔物理学奖？
先回到2017年，引力波的研究获得了诺贝尔物理学奖。引力波和万有引力是有关系的。根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。两个物体之间的距离一旦改变，这个引力就会改变。当我在演讲的地方挥手时，我和台下坐着的观众之间的距离就会改变。如果观众对引力的感受非常敏感，就会立刻感受到我的手的引力的变化，然后会和我问好，说“张老师好!”
但问题在于，我的手和宇宙中所有天体之间的距离都会改变。宇宙中的所有天体都会说“张老师好”吗？
爱因斯坦会说，这不科学，我都做不到，张老师凭什么能做到这一点。显然这有问题。
根据牛顿的万有引力定律，天体说“张老师好”是可行的，但是爱因斯坦在1905年提出狭义相对论理论时，就已经明确说了，任何信息的传递速度不能超过光速。张老师一挥手的这个引力是不可能瞬时传遍宇宙的。
时空弯曲 | NASA / public domain
根据牛顿的万有引力定律，地球和太阳之间有一根绳子，这个绳子就是万有引力。所以地球跑不了，只能被太阳拉着在那里转圈。但是，爱因斯坦认为这个绳子是不能存在的。
地球为什么还绕着太阳转圈？
爱因斯坦认为是由于太阳的质量很大，导致它周围的空间弯曲了。地球在弯曲的空间里运动时只能拐弯。空间弯曲了只能拐弯。
就好像我们在高速公路上开车，高速公路前面需要拐弯。那天，我们的脾气恰好不好，又要赶路，说，我就是不拐弯，就要直着跑。那这肯定不是一个好结局。地球也“理解”这一点，所以地球会在弯曲的空间里拐弯。这就是地球绕着太阳转的原因，太阳周围的空间弯曲了。
爱因斯坦在1915年想到了这个问题，提出了广义相对论理论。第二年，1916年，他就认识到如果是有这样两个天体，每一个都使它周围的空间扭曲了，这两个天体相互绕转就会使得弯曲的空间向外传递，这个传递出去的东西就是引力波。爱因斯坦在1916年就认识到必须要有引力波。
引力波是弯曲时空中的涟漪｜待确认图片来源
那引力波能不能被探测到？
爱因斯坦同时又做出了一个很重要的预言，他说人类永远也不可能探测到引力波。为什么？
因为爱因斯坦做了计算，他发现这样的空间扭曲从远处的天体传到地球的时候，这个扭曲的空间已经变得非常非常小了。我们没有办法感受到这个扭曲的空间。换句话说，爱因斯坦认为人类永远也不可能有能够精确地探索到空间的扭曲的技术。
然而，科学家有一个非常“恶劣”的毛病，就是打别的科学家的脸。科学家越是牛，大家就越想打他的脸。打爱因斯坦的脸无疑是最过瘾的事情。
所以爱因斯坦说引力波存在但探测不到，科学家就要想尽一切办法去探测引力波，去打爱因斯坦的脸。比想打爱因斯坦的脸还要“恶毒”的是，要用一个非常狠的办法去打爱因斯坦的脸。这个办法是什么呢？
用激光干涉的办法来探测引力波。
激光，是爱因斯坦提出来的激光理论。所以，就是用爱因斯坦的矛攻爱因斯坦的盾。从上个世纪八十年代起，就有一批科学家开始建造激光干涉引力波天文台(LIGO)。
激光干涉引力波天文台LIGO探测引力波 | LIGO
在沙漠里建两个四公里长的真空管道，动画中显示是当引力波到达地球的时候，空间的扭曲就等于真空管道的长度发生的变化，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，通过反射之后，来让这两束反射的激光进行干涉。这是激光重要的性质。根据爱因斯坦提出的激光理论，必然会有这样的结果。通过这样的干涉，就能够测量出来长度的变化。如果能够成功地测量出来，那么就能打爱因斯坦的脸了。
然而这项事并不容易。从上世纪八十年代开始，差不多1000个人经过了30年的努力，终于在2015年，用世界上最精密的测量仪器探测到了引力波。
这个仪器精密到什么程度？能够测量在不到一秒钟的时间里，那个四公里的长度发生10-18次方米的变化。
10-18米是什么意思？
LIGO是地球上最精密的测量仪器｜图中照片来自陈雁北
头发丝的直径大约在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，我们的眼睛可能都看不到了。比头发丝直径小一万倍的是氢原子的大小。然而氢原子内部是非常空的。一直到氢原子正中心的地方还要再小10万倍，才是氢原子核的大小。但氢原子核还是太大了。氢原子核的千分之一是10-18米。
大家可以想象一下，四公里长的真空管道，这个真空管道的长度变化了一个原子核的千分之一，而且这个变化发生在不到一秒的时间内。测量到它所要求的技术的精度是难以想象的。所以爱因斯坦才会在他认为引力波存在的同时，预言人类永远不可能建造出来这么精密的测量仪器。
科学家终于还是建造出了这个仪器。在2016年，我们打脸爱因斯坦成功了。当然，他们说的是，“WE DID IT!”翻译成“我们探测到了引力波”，实际上原话的“WE DID IT!”也是在说“我们打脸成功了!”
引力波是什么 | LIGO
视频中两个黑洞相互绕转，产生绿色的波纹就是引力波，最终经过了13亿年的时间，终于传到了激光干涉引力波天文台，被探测到了。
2016年，科学家宣布探测到了引力波。2017年诺奖直播，主持人让我预测什么研究会得诺贝尔物理学奖。我说，一定是引力波，如果不是就没有天理。
2019年和2020年的诺贝尔物理学奖都与黑洞有关，我们跳过2019年，直接讲2020年诺奖。2020年的诺贝尔物理学奖的其中一半给了一位称他为天文学家、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。
我们简单地了解一下这位获奖的老先生。让他获奖的论文写于1965，获奖是因为他发现黑洞形成是广义相对论的一个可靠的预言。所以，要想获得诺奖不仅仅是要做出惊天动地的科学研究成果，身体也得相当好。从1965年到2020年经过了多少年，在这数十年中，每年都有可能获诺奖，所以还要坚持锻炼身体，坚持到最终能获奖的那一天。
2.5页的诺贝尔物理学奖论文：彭罗斯Penrose 1965 PRL
彭罗斯的这篇论文不长，如果把参考文献去掉大概只有2页。短短一篇论文，怎么获得的诺贝尔物理学奖？这篇论文里最重要的就在这张图里：
一张图，一段话：俘获面(trapped surface)彻底俘获了大家!
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，学术界已经知道宇宙当中很可能存在黑洞，而且从理论上说，也应该是有的。因为当时科学家已经计算出在广义相对论里存在着一个奇点。又有科学家已经证明了如果有球对称的质量在引力的作用之下逐渐地聚成一团，最后也会形成黑洞。
然而他是假设了球对称，我们知道在真实的宇宙中是不会有绝对的球对称的。彭罗斯的这篇论文就证明了，即使是在一般的情况下，在黑洞的视界里也会有俘获面这个东西。俘获面必须形成，即便不是球对称。物质一旦越过了俘获面，就只能不可阻挡地到达中心的奇点，奇点就是自然地会存在。
由于彭罗斯的这项工作，学术界接受了奇点在一般情况下能够自然地形成的观点。既然奇点能够自然地形成，作为做天文观测、研究天文望远镜的人，当我们把天文望远镜放到太空对黑洞进行观测时，只要通过我们的观测能够找到足够致密的天体，就等效于找到了奇点，除非广义相对论失效。换句话说，如果广义相对论理论是正确的，我们找到的这些足够致密，或者说质量足够大、占据的空间足够小的天体，就应该是黑洞了。
这篇论文是黑洞理论研究的奠基性的论文。既然如此，1965年写的论文，为什么到2020年才获得诺贝尔物理学奖？就是为了测试彭罗斯先生锻炼身体意志有多么坚强吗？并不是这样。
1965年的论文为什么2020年才获奖？
上图是彭罗斯这一篇文章的被引用数量的统计图，横轴是时间，从他发表论文开始 1965年开始，一直到最近。纵轴是每年有多少篇论文引用了彭罗斯的这篇论文。
直到本世纪的发端，这篇论文的引用一直是不温不火；但是从本世纪开始，对这篇论文的引用数量就飞速地上升、指数地上升。这是由于，进入本世纪后，对黑洞的观测研究取得了非常大的进展。科学家为了理解这些观测的现象，开始大量地引用这篇论文。这篇论文的影响力开始发挥出来。这篇论文以它的影响力征服了诺奖委员会。当然，前提是他的身体要足够好。
在获得2020年诺贝尔物理学奖后，彭罗斯才被更广泛的人所知晓，以前在学术圈外，几乎没有人知道他是谁。提到研究黑洞的科学家，人们会想到霍金。也会有人说，如果霍金在世，这次诺贝尔物理学奖应该颁给他，而不是彭罗斯。彭罗斯不过是因为和霍金一起发表了一篇重要的论文才出名的。
左：彭罗斯 | Wikimedia Commons，Biswarup Ganguly / CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)
右：霍金 | Wikimedia Commons，elhombredenegro / CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)
霍金-彭罗斯奇异性定理
如果霍金在世，真的会得诺奖吗？霍金跟彭罗斯合作写的这篇论文叫做《奇异性定理》(The singularities of gravitational collapse and cosmology)。简单地说，这篇文章提出了一个新定理。但这个定理在很大程度上包括并推广了先前已知的结果。而文章推广的便是1965年彭罗斯发表的那篇关于俘获面的论文。换句话说，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。尽管这篇论文提出了一个适用范围更广的定理，但彭罗斯那篇文章的原创性更强。霍金-彭罗斯定理原创性不够强，仅靠这个研究应该不能获得诺奖。所以，我认为既使是霍金在世，2020年的诺贝尔物理学奖也不会颁给霍金，仍然会颁给彭罗斯。
2017年诺贝尔物理学奖直播我说过，引力波不得奖就没有天理，但是霍金不会获奖，永远不会。霍金一生做出的成就很多，特别出众的有三个。其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演示视频展示出，两个黑洞并合在一起，最后变成一个黑洞产生引力波。那个发现也验证了霍金的第三大科学成就，面积不减定理。彼时，霍金先生的身体已经很不稳定了，恰好他的一个很重要的科学成就得到了观测的验证，有人说诺奖委员会应该在这一年给他颁发诺奖。
为什么我会说霍金不仅那一年不会获得诺贝尔物理学奖，永远也不会获得诺贝尔物理学奖呢？2020年诺奖获得者的研究其实和霍金第二大科学成就有关。他的第二大科学成就就是和彭罗斯提出的奇异性定理。上面说道，奇异性定理的提出虽然适用范围更广，但原创性不足，因此，即使2020年的诺贝尔物理学奖和黑洞研究有关，但得奖者也不会是霍金。
不仅如此，参考爱因斯坦和诺贝尔奖的奇葩过往，我也有理由推测霍金先生永远也不会获得诺贝尔物理学奖。
1922年诺奖委员会给爱因斯坦发的电报说，爱因斯坦先生，恭喜您获得了去年的诺奖。当时，爱因斯坦正在前往亚洲旅行的船上。
瑞典诺奖委员会1922年11月宣布爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖 | www.nobelprize.org
告知爱因斯坦获得去年的诺奖，这件事本身已经很奇葩了。一般来讲，都是每年的十月份，宣布当年的诺奖花落谁家。在爱因斯坦之前，还没有发生过在一年诺奖上同时宣布当年和去年的得主。1921年，诺贝尔物理学奖没有授予任何人，诺奖委员会认为相对论理论还没有得到验证，至少获奖委员会是这么认为的。所以爱因斯坦先生不应该获得诺贝尔物理学奖。然而，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受到了危机，科学界恐怕要造反了。
诺奖委员会从1910年开始，每年都拒绝给当时可以说是最著名的物理学家爱因斯坦诺奖。已经拒绝12年了，再不给，诺奖委员会恐怕不好办。他们想了一个办法，将去年的诺贝尔物理学奖颁给爱因斯坦诺奖，而且是奖励爱因斯坦对光电效应的贡献。这是在告诉爱因斯坦，对不起，颁给你诺奖不是因为你的相对论的成就。今天我们回头看，和其他一系列诺贝尔物理学奖相比，光电效应毫不逊色。它是量子力学的一个奠基性的理论。
然而爱因斯坦非常不开心，诺奖委员会并没有认可他的相对论理论，虽然他认为相对论应该获得诺奖。所以他没有出席颁奖仪式，当然也没有发表获奖感言。但爱因斯坦私下领了奖金支票并兑现，这让诺奖委员会格外不开心。
事实上，爱因斯坦是有苦衷的，他早已签了一个协定，要求他必须获得诺奖，而且这笔奖金必须要给某某人。而且，爱因斯坦明白，如果他拒绝领奖，诺奖委员会绝不会给他第二次机会。因此，为了不违背协定，虽不情愿，爱因斯坦也私下取了支票去兑现了。通过协商，爱因斯坦答应在一次诺奖重要的活动上发表获奖感言，但他发言的题目是《相对论的意义》，而不是关于光电效应的。
对于一些科学家而言，他们把学术声誉看得比获得诺奖还要更重。正如爱因斯坦希望相对论得到认可，霍金也希望他认为自己做的最重要的科学成就获得诺奖，所以诺奖不会给霍金授奖。关于黑洞的研究并不是霍金最伟大的科学成就，霍金辐射是霍金最伟大的科学成就。
我们平时认为的真空就是真的空，什么都没有。而什么都没有，就是能量等于零。零是不会发生变化的。这就违反了一个重要的科学原理。量子力学告诉我们，任何事情都不能绝对确定，所以它不可能一直是零。那么为了不违反量子的不确定原理，只能求变。只好从真空里借一点能量出来。一会儿能量是负的，一会儿能量是正的，平均起来是零。
根据爱因斯坦提出的质能关系，质量和能量是等效的，既然能够“变”出能量，这个能量就会变成(产生)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，一对正反粒子还会结合在一起(湮灭)，从而产生能量，把“借”来的能量还给真空。所以真空里不断有正反粒子对产生、湮灭。真空并不是什么都没有，而是一直在折腾，这就叫做真空涨落效应。我的一个研究目标就是造卫星，精确地探测真空涨落效应。
霍金先生突发奇想，如果在真空里搞一个黑洞会发生什么？产生的正反粒子对，在黑洞附近不断地“偷”能量。但总有某个粒子会掉入黑洞中的，而它的“伴侣”，另外一个粒子，本来想找回伙伴，一同湮灭将能量“还”回去，如果找不到，就等于白白地从真空里偷了能量，变成了“小偷”。小偷为了不被物理定律这个警察抓住，就得逃离黑洞。从远处看起来就不断地有“失去了伴侣”的真空涨落出来的粒子往外跑，这就是霍金辐射。霍金辐射既满足了量子力学的不确定原理，又满足了真空的平衡能量等于零，又满足了物质掉到黑洞里不能逃出来……这些性质全部都能满足，天衣无缝，所以应该是对的。
应该是对的不等于就是对的，一个科学理论必须要得到实验和观测的验证后，才能被接受。霍金提出霍金辐射后，科学家们做了各种各样的实验，投入了很多资金，但是既不能证明霍金辐射存在，也不能证明霍金辐射不存在。霍金生前有记者采他，说霍金先生你那么有名气，但是却没有获得诺贝尔奖。记者的意思是说霍金也没有多厉害。霍金对此不屑一顾，说那是因为霍金辐射理论太厉害了，想验证这个理论的人水平不行。换句话说，霍金水平太高，高到了没法获得诺奖。我们做实验的人可能还要再做20到30年，才有可能发现霍金辐射。
(未完待续……)
演讲嘉宾张双南：《4年3次‘蹭’到物理学诺奖，天文学做对了啥？》｜拍摄：Vphoto
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张双南供图
如果大家还对科学与美学感兴趣，可以期待一下张老师即将出版的一本书《科学方法与美学》。
张双南供图
策划/监制：吴欧
作者：张双南
编辑：史唯欢 杨喜九
校对/排版：尹宁流
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