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霍金的諾貝爾獎問題

2020-11-01 高涌泉
霍金不會因「霍金-彭若斯定理」獲獎。
(圖檔來源:pixabay)


傳奇物理學家霍金於2018年3月過世後,留下一份未完成的遺稿,經同事與家人整理,在10月出版,中文版書名為《霍金大見解》。霍金在書中討論了十個大哉問,其中第五個為「黑洞裡面是什麼?」。他回答此一問時,主動提及許多人私下好奇的學術八卦:被視為當代愛因斯坦的霍金為什麼從沒拿過諾貝爾獎?


霍金在書中對於這個尷尬問題的答案是「我終究還是有可能得到諾貝爾獎的」——只要位於瑞士日內瓦的大強子對撞機(LHC)製造出「微型黑洞」。他解釋說,自己在1974年初預測這類黑洞會輻射出很容易辨識的粒子,一旦「霍金輻射」獲得證實,諾獎必定入袋。由於LHC尚未產生微型黑洞,我們也就看不到他風光地前往瑞典斯德哥爾摩一趟。有趣的是,此書編輯特地附加一註,提醒讀者「諾貝爾獎無法追贈給已經過世的人。很遺憾,霍金這個心願已無法達成。」更有趣的是,這個原本已過時的諾獎問題竟然在今年諾貝爾物理獎宣佈之後,大家又拿出來議論一番。


今年諾貝爾物理獎頒給了三位研究黑洞的物理學家:第一位是英國人彭若斯,他拿到一半的獎金,瑞典皇家科學院說他的貢獻是「發現黑洞的形成是廣義相對論堅實的預測」;第二與第三位分別是德國人甘澤爾與美國人蓋茲(她是物理獎第四位女性得主),兩人各獲獎金的1/4,其貢獻是「發現在我們銀河系中心存在著一個超大質量的緻密天體」。雖然皇家科學院沒有明言甘澤爾與蓋茲找到了黑洞,但是在所提供的背景說明中指出,對於「一個超大質量的黑洞是(對於這兩人的發現)目前唯一已知的解釋」。


物理學界對於三人能因黑洞研究獲得諾獎榮耀多有好評,尤其是彭若斯以89歲高齡獲獎,更讓許多人又驚又喜。驚訝之處是彭若斯的工作一般歸類於數學物理,這個領域比平常的理論物理更強調數學嚴謹性,所得結論通常會以定理的形式呈現。例如彭若斯便以證明了所謂的「奇異點定理」聞名,這個定理是說黑洞內部必然存在著時空的奇異點,那裡的時空曲率為無窮大,也就是時空失去了意義。過去諾獎從未落在數學物理這個領域上,彭若斯算是開了先例。


不過彭若斯的獲獎也立刻讓一些人呼喊「那霍金呢?」,因為他們認為霍金對於奇異點定理的貢獻不亞於彭若斯。事實上,兩人早就因宇宙奇異點以及黑洞物理的研究,共獲1988年的沃爾夫物理獎。所以霍金若還在世,他應該要與彭若斯一起分享諾獎。而皇家科學院卻選擇在霍金過世後(才兩年!),就頒獎給彭若斯,似乎開了霍金一個殘酷的玩笑。


是不是這樣呢?讓我扼要回顧相關歷史:首先是彭若斯在1965年開創以拓撲學方法分析廣義相對論,證明了就算沒有球對稱,星球塌縮後產生的黑洞內必有奇異點。隔年霍金把彭若斯的結論推廣至宇宙學,證明宇宙的膨脹也必起自時空奇異點。(也因此,霍金在《霍金大見解》中宣稱「上帝是否創造了宇宙?」這個問題沒有意義,因為「在大霹靂之前,時間根本不存在,因此『沒有時間』讓上帝創造宇宙。」)彭若斯與霍金進一步在1969年聯手證明了最一般性的奇異點定理。


回到霍金的諾獎問題。我認為皇家科學院的考慮是這樣子的:甘澤爾與蓋茲兩個團隊所得到的觀測數據實在太棒了,尤其是他們從20多年間所累積的數據中,畫出了銀河中心人馬座A*附近一顆稱為S2的恆星軌道,這是一條很漂亮的橢圓軌道,他們由此推論有一個黑洞位於焦點,其質量約為太陽的400萬倍。這絕對是諾獎等級的成就。但黑洞是理論學家首先提出的概念,他們當然也應分享榮耀,可是該由誰來代表呢?彭若斯是最適當的人選,他1965年那篇「一人文章」的確是先鋒。由於諾獎只考慮最原始的突破,所以霍金與彭若斯的「二人文章」無論有多麼的重要,霍金只能像我之前介紹的波恩那樣被割捨在外了。


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