如果霍金在世，會獲得 2020 年諾貝爾物理學獎嗎？

當地時間10月6日，瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松宣布，將2020年諾貝爾物理學獎授予羅傑·彭羅斯（Roger Penrose），萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·格茲（Andrea Ghez），三位獲獎者因發現了宇宙中最奇特的現象黑洞，將分享1000萬瑞典克朗獎金（約合760萬人民幣）。

我覺得這個事情其實比較微妙……

首先是三個人的限制，霍金和彭羅斯都給的話，Genzel和Ghez好像漏掉誰都不太合適……有人比較Genzel和Ghez誰的貢獻大想刨掉一個，我覺得是不合理的。

另一方面，霍金和彭羅斯兩個人里漏掉誰也都不合適……

還有一種選擇，是只給理論的兩個人或者只給觀測的兩個人，但是這樣就更奇怪了……

所以我覺得，如果霍金還活著，評審委員會可能就頒發不出來這個獎了，因為沒法兒只保留三個人。

再說點兒題外話，奇點定理稱為的證明過程中，很多人都做了重要的貢獻。

要說根源的話，我覺得應該是Raychaudhuri在55年整出的測地偏離方程以及應用它得到的一些結果。裡面實際上計算了沒有轉動的塵埃的情況。但是一方面條件太過特殊，另一方面也沒提出奇點定理這個事兒，所以只能算是鋪墊。當時很多人認為由於轉動的存在，實際中是不會有黑洞的。

彭羅斯是在65年的文章Gravitational collapse and space-time singularities里最早提出這麼一個事兒並給出證明的。雖然他的條件還是太強了，要求時空得是全局雙曲的。但重點是，這是一個更加普適的嚴格數學證明，結論並不依賴於很多實際的細節。所以歸根結底，要說誰最先提出並初步證明了奇點定理，那就是彭羅斯了。但彭羅斯在這之後並沒有繼續研究這個事兒，如果取查他之後幾年的文章，基本都是在整扭量之類的東西。這我覺得也可以理解，畢竟對於數學家來說，物理上的事情其實並不是那麼重要，可能也就是發現能做就順便整一下罷了。而扭量的話，算是一個新的數學工具了，肯定是要更上心的。霍金則是在這之後就一直做奇點相關的研究，他的第一篇論文Occurrence of singularities in open universes就是關於奇點定理的。之後幾年的十多篇論文也基本都是對奇點定理的各種推廣，比如證明了大爆炸奇點是不可避免的。中間也有好幾個人做出來各種情況下的結果，而最終的一錘定音則是他們兩個人在70年合作的The Singularities of gravitational collapse and cosmology ，這也被稱為Hawking-Penrose 奇點定理，以區分於Penrose最原始的版本，它大大放寬了條件。

所以從這個角度來講，霍金和彭羅斯在這方面的工作是不相上下的。我跟朋友聊這個事兒的時候，不約而同地想到了愛因斯坦和希爾伯特的例子。希爾伯特更先得到了場方程，但是他說過「哥廷根的每個小孩子都比愛因斯坦更懂黎曼幾何，但是廣義相對論是愛因斯坦發現的。」我覺得這兩件事情有很多可以類比的地方。

我個人感受的話，以廣義相對論中的價值來說的話，彭羅斯的扭量形式還有Newman-Penrose形式，都是比奇點定理重要得多的工作，而霍金輻射的含金量也遠高於奇點定理。

彭羅斯的話，這些數學工具的發明和提出，是遠比證明一兩個現象的影響更大。或者類比一下，有了Rachaudhuri方程，證明奇點定理就是誰來做，什麼時候做的事情。而沒有Rachaudhuri方程，就根本不可能證明奇點定理。NP形式是為後面幾十年的工作提供了非常強有力的工具的，沒有這個工具，很多後來非常重要的工作都根本不可能開展。

至於霍金的話，霍金輻射這個事情可以說是開創了量子引力這整個領域的工作，引發出了信息悖論、全息原理、火牆等等無數的重要工作。而奇點定理這個事兒吧，其實也就這樣了，後面的人無非就是構造各種奇奇怪怪的特殊情況，來更加一般地試圖證明或者證偽它，最多也就是試圖證明宇宙監督假設，對於整個領域並沒有太大影響，基本是獨立發展，屬於有它沒它都一樣。

霍金輻射和扭量形式這類工作體現的是驚為天人的創造性想法，會讓人感嘆：這都是怎麼想出來的？？？而奇點定理這類工作，體現的則是紮實的功力，會讓人感嘆：水平真高啊！

這個問題太難了，讓諾獎評委來答吧。

2020這次諾獎給了黑洞，理論拿一半獎金，另一半獎金給實驗觀測。實驗方面的獲獎者是兩個人，而一次諾獎的獲獎人最多三個，所以理論方面的獲獎者只能是一個人。如果霍金活著，就得跟彭羅斯比較，誰對黑洞理論的貢獻更大……比較貢獻大小這種事情，弄的不好容易反目成仇，參考楊振寧和李政道的故事。

霍金出名，彭羅斯低調。從霍金方面發表的科普書籍看，他們的研究合作很愉快，沒有因為榮譽和貢獻大小發生過爭執。

如果一定要選一個發獎，諾獎評委肯定頭疼，乾脆不發，不如拖時間，看他倆誰先走……長壽的那個人拿獎。

瑞典當地時間10月6日中午，諾貝爾獎委員會宣布將2020年諾貝爾物理學獎授予英國數學物理學家彭羅斯（Roger Penrose），表彰他對「發現黑洞形成是廣義相對論的堅實預測」，以及根澤爾（Reinhard Genzel）和蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們「發現銀河系中心有一個超大質量緻密天體」。
對發現黑洞作出理論研究的彭羅斯，他作為一個數學家，到底有何獨特貢獻？而如果霍金在世，會獲得 2020 年諾貝爾物理學獎嗎？著名科普作家盧昌海博士給出了他的簡要回答。

問：關於彭羅斯的獲獎原因，諾貝爾委員會給出的是「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言」（「for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity」），諾獎委員會發布的科普材料里還提到了奇點定理，您能簡單科普一下這項成果的內容和意義嗎？

盧昌海：1916年1月，距愛因斯坦（Albert Einstein）發表廣義相對論場方程不到兩個月，德國物理學家施瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了場方程的一個嚴格解。黑洞作為廣義相對論的預言，若干主要特徵（比如它的視界及所包含的奇點）在這個解中就已經體現出了——雖然物理學家們用了很多年的時間來挖掘和理解那些特徵。1939年，美國物理學家奧本海默（J. Robert Oppenheimer）和學生辛德（Hartland Snyder）對恆星坍塌為黑洞的過程進行了研究。這些都在一定程度上支持了廣義相對論對黑洞的預言。但這些研究都假定了嚴格的球對稱性，而現實世界裡的恆星雖接近球形，卻不可能是嚴格球對稱的。因此，這些研究作為對黑洞的預言都不夠堅實。對恆星能否坍塌為黑洞，甚至黑洞能否存在，當時仍有大量懷疑——懷疑者中包括了愛因斯坦本人。

彭羅斯對黑洞研究的重要貢獻是，他採用了在當時的廣義相對論研究中還很新穎的幾何與拓撲方法，在不依賴對稱性的很普遍的條件下，證明了作為黑洞核心組成部分的奇點的出現是廣義相對論的必然推論。他的這類研究最早的一項完成於1965年，但那項研究仍假定了一個物理上無法確立甚至有可能不成立的條件，從而並不能完全打消對黑洞的懷疑——或者說仍不夠「堅實」。1970年，彭羅斯與霍金（Stephen Hawking）合作，去掉了那個條件，得到了一個更普遍的定理——即「霍金-彭羅斯奇點定理」。這個定理的所有條件都很現實，比如可在大質量恆星的坍塌過程中得到滿足，因此它的結論，即奇點的出現是廣義相對論的必然推論，也就非常堅實。諾貝爾委員會所說的「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言」指的就是這個——重點在「堅實」二字上。

問：作為一名數學物理學家，彭羅斯以純理論的成果獲得諾貝爾物理學獎，在近年是非常少見的，對此您怎麼評價呢？

盧昌海：諾貝爾物理學獎通常頒給重大的觀測、實驗或與這兩者關係密切（比如對之作出解釋）的理論研究。純理論的研究也並非不能獲獎，但通常要等到其預言被觀測和實驗所證實——即不再是「純理論」——的那一天（這有時得等幾十年，甚至研究者至死也沒等到也屢見不鮮）。不過，彭羅斯的研究跟以往獲獎的純理論研究有些不同，它本身並不預言任何東西，而只是替廣義相對論作出了一個「堅實預言」——那預言無論被推翻還是證實，影響的都是廣義相對論而不是彭羅斯的研究，後者的正確性只取決於它的數學推理的正確性。從這個意義上講，彭羅斯的獲獎成果更接近數學定理——只不過是以廣義相對論為框架的數學定理。但是，這樣的數學定理對於揭示廣義相對論的性質有非常重要的價值，從這個角度講，它的性質雖是數學，領域卻是物理，獲得諾貝爾物理學獎雖然少見，卻並不「僭越」。

問：您在微博上說：「從某種意義上講，今年的諾貝爾物理學獎也許會成為一種尷尬。因為未來人們提起今年的諾貝爾物理學獎時，最容易想到的就是霍金。霍金的巨大聲望固然有很大比例來自他的身體條件，但他在黑洞研究上的實質貢獻也並不亞於——甚至可以說是高於——彭羅斯。霍金的不獲獎原本是說得通的，因為他的研究是純理論的，雖然黑洞本身的觀測證據已經很強，直接驗證他的理論卻依然近乎不可能，從而不獲獎也說得通。但彭羅斯的黑洞研究是同樣類型的，他的獲獎直接推翻了霍金不獲獎的理由，且這種推翻並不是基於霍金去世之後才出現的新論據，從而使霍金的不獲獎成為了諾貝爾獎的一次無可推脫的缺漏，而且特別引人注目。」對此，您能簡單展開描述一下嗎？另外，霍金如果在世，能否獲得這一獎項？

盧昌海：彭羅斯的名字經常和霍金的名字連在一起，這不是偶然的。這兩人合寫過論文也合著過書，前面提到的「霍金-彭羅斯奇點定理」就是一個例子。諾貝爾委員會在獲獎成果介紹中對彭羅斯1965年的研究著墨較多——也許因為那是彭羅斯一個人的成果。但如前所述，那項研究其實不夠「堅實」。與彭羅斯基本同時，霍金當時也在研究奇點（只不過彭羅斯的研究偏於黑洞奇點，霍金的研究則偏於宇宙學奇點），兩人1970年合作得到的「霍金-彭羅斯奇點定理」才足夠「堅實」，真正稱得上是「發現黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言」。因此，霍金對此次獲獎成果的貢獻也是很大的。除此之外，霍金還在黑洞熱力學（其中包括了著名的「霍金輻射」）、「黑洞無毛髮定理」等方面做過重要研究。因此我在微博上說，「霍金的巨大聲望固然有很大比例來自他的身體條件，但他在黑洞研究上的實質貢獻也並不亞於——甚至可以說是高於——彭羅斯」。

至於我說「今年的諾貝爾物理學獎也許會成為一種尷尬」，倒不是覺得彭羅斯的獲獎有何不當——如前所述，我對他的獲獎是持肯定態度的。我甚至希望今後有更多純理論的研究獲得諾貝爾物理學獎，因為這類研究其實早已是現代物理研究的重要組成部分了。只不過，彭羅斯的獲獎使霍金的不獲獎變得很突出，所謂「尷尬」指的是這個。諾貝爾獎的提名記錄有50年的保密期，等最近幾十年的記錄解密之後，我相信人們會看到霍金獲得過大量提名。對於他的不獲獎，唯一說得通的理由就是他的研究是純理論的，幾乎不可能被觀測和實驗所驗證。但彭羅斯的黑洞研究是同樣類型的，因此他的獲獎推翻了這一理由。也因此，我說彭羅斯的獲獎「使霍金的不獲獎成為了諾貝爾獎的一次無可推脫的缺漏，並且特別引人注目。」

當然，微博不可能面面俱到，從積極的方面講，我們也可以將彭羅斯的獲獎視為諾貝爾獎的一次「糾偏」，糾正對純理論研究的偏廢，雖然很遺憾地沒能在霍金生前就「糾」，但終究也是進展。

至於霍金如果在世能否獲得這一獎項，答案在我看來是非常肯定的。針對黑洞的純理論研究不頒獎則已，若頒獎且霍金在世，只頒給彭羅斯而不頒給霍金是難以想像的。

能

而且我覺得諾貝爾獎這個東西，本來就具有抽獎性質：

有資格獲獎的人可以排個長隊，就看哪個能活到那一天

會的。

彭羅斯和霍金一起證明的奇點定理，所以他倆獲得了1988年的沃爾夫獎。

彭羅斯這次拿獎的奇性定理我們一般稱為Hawking-Penrose Theorem

如果霍金沒有離去，那麼這個獎應該有他的一份……

The Nobel Prize in Physics 2020 was divided, one half awarded to Roger Penrose "for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity", the other half jointly to Reinhard Genzel and Andrea Ghez "for the discovery of a supermassive compact object at the centre of our galaxy."