首都科学讲堂｜第772期：四年三次“蹭”到物理学诺奖，天文学做对了啥？

本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。

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诺贝尔奖并没有专门设立天文学奖项。然而，天文学研究在2017至2020年的四年中，却“蹭”到了三次诺贝尔物理学奖。从一开始被诺贝尔奖委员会“拒绝”，到如今领奖领到手软，天文学到底做对了啥？这背后又有哪些有趣的科学故事、科学方法以及科学对人类文明的意义？

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本期首都科学讲堂邀请中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、国家天文台空间科学部首席科学家张双南为我们讲解天文学与诺奖间“剪不断的缘分”。

主讲嘉宾：张双南中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、国家天文台空间科学部首席科学家 7 W$ |0 ]6 D) v; |0 w" f

▲四年三次“蹭”到物理学诺奖，天文学做对了啥？（上）

▲四年三次“蹭”到物理学诺奖，天文学做对了啥？（下）

引力波研究获得

2017年诺贝尔物理学奖

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▲获得2017年诺贝尔物理学奖的三位科学家（配图来自现场PPT）

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2017年，引力波研究获得诺贝尔物理学奖，推动相关天文学研究成果在社会上广为所知。

引力波到底是什么？首先要知道，质量会导致引力周围空间的扭曲。所以当你和妈妈一起跳舞旋转时，运动导致你们周围扭曲的空间向外传递。这时候，你们就向外传递了引力波。不过，你们所产生的引力波非常微弱，难以探测。目前的仪器只能探测到宇宙中黑洞等天体所产生的引力波。

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根据牛顿的万有引力定律，力的大小与两个物体的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。我现在挥手，手与在座各位朋友间的距离立刻改变，如果各位对引力敏感，应该立刻感受到我手的引力的变化。但是我挥手时，宇宙中所有的天体和手之间的距离都改变了，那么宇宙中所有的天体都可以立刻感知到手的引力变化吗？

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根据爱因斯坦的狭义相对论，任何信息的传递都有速度，且最高速度不能超过光速。那么，我挥手，宇宙中所有天体感知到引力立刻发生变化，显然违反了狭义相对论。

于是，1915年爱因斯坦又提出了广义相对论，说明引力不是我和你们之间拉着一根绳子，牵一发便能动全局，而是由于运动导致了周围空间的扭曲。也就是说，挥手时，我的手导致的空间扭曲传递到各位朋友那里，大家是由此感受到引力变化的。根据广义相对论，这一传递速度就是引力波的速度。

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▲地球和其他行星绕着太阳转是因为太阳周围时空弯曲（配图来自现场PPT）

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那么，地球绕着太阳跑也是这个道理。不是地球和太阳之间拉着一根“绳子”，固定住了二者之间的运动关系，而是地球在太阳附近运动，是太阳导致了地球周围的空间扭曲，继而地球在这个扭曲的空间里面必须拐着弯走。就像我们开车在环路上，公路拐弯了，走的人就得拐弯，不能再跑直线。地球也理解这一点，所以只好在太阳导致的扭曲空间里运动，绕着太阳跑。

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提出广义相对论后的第二年，爱因斯坦曾预言，如果有两个物体，每个物体都导致它周围的空间扭曲，这两个物体在相互绕转时，扭曲的空间要向外传递，而这就是引力波。

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也就是说，爱因斯坦在1915年提出了广义相对论，1916年就预言了引力波的存在。

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同时，爱因斯坦也预言，即使引力波存在，人类也永远观测不到它。因为他计算发现，扭曲的幅度传递到地球时，已经变得非常非常小了，因此引力波是无法观测到的。

然而，科学家们有一个习惯，别人越说行的越要想办法证明这件事不行，或者验证出来到底是不是真的行，也就是通过各种验证去“打脸”其他的科学家。

爱因斯坦是继牛顿之后最厉害的科学家了，“打”他的脸肯定特别过瘾。爱因斯坦说测不到，就一定要想办法把它测出来。更狠的是，还要运用爱因斯坦提出的激光理论来“以己之矛攻己之盾”。

这些科学家，自20世纪80年代开始建造激光干涉引力波天文台LIGO。他们在沙漠中挖出4公里长的管道并抽成真空，让激光在其中反射。根据爱因斯坦的理论，当引力波到达时，这个空间发生的扭曲等效于这个真空管道的长度要发生的变化，一个方向变长，一个方向变短。

▲探测引力波的精密测量仪器——激光干涉引力波天文台LIGO（配图来自现场PPT）

经过30多年的努力，2015年LIGO——这个地球上最精密的测量仪器终于建成了，其精密程度达到了10-18米。

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这又是怎样的一个概念呢？头发丝的宽度是10-6米，肉眼不可能看到的氢原子比头发丝小一万倍，氢原子中心的原子核比氢原子再小十万倍，而这个原子核的千分之一，才是10-18米。

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在4公里长的真空管道中，测出10-18米的极微的抖动，其难度可想而知。所以爱因斯坦计算出了这个空间扭曲的幅度，但却想象不了人类能够测量得到这样的变化。

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然而，2016年2月11日，科学家们宣布成功探测到引力波。这次对爱因斯坦的“打脸”成功了。

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2017年诺贝尔奖颁发前夕，有媒体让我预测奖落谁家，我说，如果今年引力波的研究不获得诺奖，就没有天理。我之所以非常有信心，是因为我们学术界认为，人类探测到引力波是100年来物理学和天文学最重大的成就之一。那一年，诺贝尔物理学奖颁发给了引力波的相关研究。

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▲获得2020年诺贝尔物理学奖的三位科学家，左一为罗杰·彭罗斯（配图来自现场PPT）

黑洞研究获得

2020年诺贝尔物理学奖 4 D" G$ _4 t$ m) f/ M8 W

2020年的这一次诺贝尔物理学奖则是跟黑洞有关的。其中一位获奖者——罗杰·彭罗斯，由于对广义相对论的理论研究，预言了黑洞是必须存在的，另外两位科学家则通过观测，发现了银河系中心的那个黑洞。

罗杰·彭罗斯获奖的理论文章，是1965年的一篇论文，只有2.5页。论文的背景非常有意思，讲的是类星体。类星体是20世纪60年代的四大天文发现之一。他作为一个数学家，敏锐地感觉到对于类星体的研究非常重要，所以就做了这个理论研究。

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类星体是什么？天文观测中，图像上的一个点通常是一颗恒星，一团的话可能是个星系或者其他天体。类星体也是一个点，但光谱令天文学家感到陌生。后来天文学家马丁·史密斯发现，这些陌生的光谱是由于其距离我们非常远而造成的。那时天文学家就知道了，类星体的光应该来自于内部“发动机”产生的巨大的能源，因而其中间应该有一个黑洞。罗杰·彭罗斯的文章就研究了这件事。

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在此之前，也有很多科学家研究过黑洞形成和存在的理论。1939年有学者研究过黑洞如何形成，认为如果物质足够多，在引力的作用下天体可自己坍缩形成黑洞。但文章中计算的是绝对球对称的一种情况，即一团物质在自己的引力作用下最终能够形成黑洞。这篇论文影响力非常大。

学术界衡量一篇论文的学术价值，看的是论文随时间的推演，是不是在学术界越来越受到重视，引用越来越多。上述论文自从1939年发表后，前30年基本上无人问津。到20世纪60年代终于发现了类星体后，这篇文章的引用多了一些。21世纪开始，由于对黑洞的观测越来越多，这篇论文的引用呈指数上升趋势。

2020年对黑洞的研究获诺贝尔奖，对天文学家来说非常意外，又十分认可，因为黑洞研究等待诺贝尔物理学奖等得太久了。

显然，这三位获奖者既不是最早的黑洞研究者、发现者，也不是最早的理论预言者。他们凭什么获奖呢？回顾黑洞研究引用最多的论文作者，就有了答案。这也说明这三位学者在天文学研究的学者心目中，是对黑洞研究贡献和学术影响力最大的。

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也给大家简要介绍一下，发现银河系中心黑洞的两位获奖天文学家，用了怎样的神器精确地测量出了银河系中心的恒星运动。一般的望远镜、甚至哈勃望远镜都做不到，所以他们使用的是位于欧洲的8.2米口径的地面望远镜。

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我国类似的望远镜最大的口径是2.4米，设置在云南丽江天文台。用这样的望远镜能够拍摄出银河系中心的照片。通过激光导星可以将望远镜调整到最佳的分辨率，从而清晰地测量恒星轨道。

美国团队使用了口径10米的望远镜，得到了非常清晰的银河系中心的图片，可以看到其恒星在我们视线方向的运动，而且观测到了恒星三维的运动。将每一颗恒星运动时的光谱测量出来，利用多普勒效应可以把银河系中心三维的运动图像测量出来，继而精确地获得银河系中心那个黑洞的质量。

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▲霍金（1942.1.8—2018.3.14）（配图来自现场PPT）

霍金为什么没有获得诺贝尔奖

黑洞也是霍金研究的领域，为什么他没有获得诺贝尔奖？2017年就有人问过我这个问题，我的回答是霍金先生永远也不会获得诺奖。

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是因为霍金的成就不够大吗？当然不是。真正的原因与爱因斯坦曾获得的那一次诺贝尔奖有关。

1922年诺贝尔奖委员会通知爱因斯坦以及向公众宣布，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖，获奖理由为量子力学奠基性成就——光电效应理论。尽管获奖，但爱因斯坦并不开心，他没有出席领奖活动，勉为其难地与诺贝尔奖委员会协商找了个机会发表了获奖感言，而他演讲的题目是《相对论的意义》。

显然，爱因斯坦认为，相对论才是值得骄傲的成绩，他希望以最重要的科学成就来获得诺贝尔奖。

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有了爱因斯坦那件事后，诺贝尔奖委员会明白了一件事，对科学家来讲，不以他引以为豪的、最重要的科学成就来授予诺奖，是对他的不尊重。所以，没有给霍金先生诺贝尔奖其实是对他最大的尊重，因为他最重要的科学成就还没有被证实，没有办法给他颁奖。

因此，我认为霍金先生不能获得诺贝尔奖的原因在于，霍金辐射是他最伟大的科学成就，然而检验霍金辐射太难了，在霍金先生的有生之年，科学家们都无法验证霍金辐射，不能帮他拿到诺贝尔奖。

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▲获得2019年诺贝尔物理学奖的三位科学家（配图来自现场PPT）

发现太阳系外的“太阳系”获得诺奖

2019年的诺贝尔物理学奖颁发给了发现太阳系外的“太阳系”的研究团队。

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外星人存在，科学不科学？其实是科学的。科学家有一个方程可以计算出宇宙以及银河系里面有多少高级文明。其中最重要的一步就是找到银河系里有多少其他的“地球”，或有多少其他的“太阳系”。找到它们，才能让我们理解宇宙中有多少文明。

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根据目前的理解，能够计算出外星文明在银河系里的数量是大于1的。也就是说，除了我们之外，在银河系里面至少还有一个文明。

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既然至少还有一个文明，我们就可以去寻找。第一步是寻找其他的“太阳系”。

寻找过程非常有趣。在获得2019年诺贝尔奖的研究团队发现太阳系外的“太阳系”之前，曾经有过三次“首次”发现太阳系外的行星。

第一次在1988年，有团队宣布发现了太阳系外的行星。这件事太重要了，于是大家充满质疑地去找其中的问题。结果，在轮番“攻击”下团队干脆选择放弃，承认自己错了，并把文章撤了回来。2002年又一个团队发现之前的那次发现是对的，但由于原来的团队已经撤下了文章，他们的发现也就不存在了，如果他们坚持住，也许2019年的诺贝尔奖就该由他们获得了。

1989年另外一个团队宣布发现了一个恒星周围一颗褐矮星，是介于恒星和行星之间的天体。但是后来其他天文学家发现那就是一颗行星，但是原来的团队不敢说是行星，错过了一次重大发现。

1992年又一个团队发现在一颗中子星周围有行星，有点像一个太阳系，但中间是颗中子星，不是恒星。我们的目标是找地外文明，中子星周围肯定没有地外文明，所以本质上他们并没有发现太阳系外的“太阳系”，尽管他们一直坚持是他们首次发现了太阳系外的行星。

直到第四次有团队公布观测结果，由于观测结果比较扎实，这次宣布首次发现的太阳系外的“太阳系”，很快得到了业界的承认，于2019年获得了诺奖。

前面三个团队没有获奖算是与诺贝尔奖擦肩而过吗？一个团队自己认错把文章撤掉了，一个团队根本没敢说发现了一颗行星，还有一个团队咬牙坚持，但他们发现的是颗中子星周围的行星。严格按照诺贝尔奖的标准来讲，他们还并没有与奖“擦肩”。

因提出基于对称性自发破缺机制的电弱理论获得1979年诺贝尔物理学奖的美国物理学家温伯格曾说，如果有了发现，要勇于承认我做了这个发现，勇于宣布我做了这个发现，而不是说我有个发现，你们看看是不是。所以，科学家也要有宣布科学发现的勇气。

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当然，2019年诺贝尔物理学奖其实奖励的是两部分的成就，还有一部分奖励给一位老先生对于宇宙微波背景辐射理论的贡献。

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微波背景辐射发现于20世纪60年代，两位发现者早就获得了诺贝尔奖，但理论上预言微波背景辐射的科学家并未一同获奖。

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原因也很简单，做了这个理论预言的学者不止一位，诺贝尔奖委员会无法确定奖到底给谁，所以让大家坚持锻炼身体。最后这位老先生“跑赢”了，其他人都掉队了，因而获奖。

所以，取得重要的科学成就很重要，但身体同样也很重要，一定要坚持锻炼身体。

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怎么能够发现太阳系外的行星？简单地给大家介绍一下。

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其中一种办法与多普勒效应有关，行星在恒星周围运动，行星在运动，恒星也在运动，只是运动的幅度较小。运动意味着它们发生的光谱具有周期性，冲着我们时变蓝（波长变短），背对我们时变红（波长变长）。

其二是用望远镜盯着恒星看，利用上述现象，原则上会看到恒星有微小的运动。

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第三种办法更简单，当行星经过它的母恒星前面时，会挡住一点点光，由此能够把行星的运动测量出来。

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各种办法的加持以及很多年持续观测，目前科学家们已发现了超过5000颗行星，然而并没有真的找到外星人，连外星人可能居住的类似于地球这样的行星也还没有找到。所以，真的找到外星人，还有很长的路要走。

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▲科学史中不可或缺的科学巨匠，正因为他们仰望天空、刨根问底，带来了现代科学。（配图来自现场PPT）

我们为什么要仰望星空？ & ?8 d [/ S9 Q

四年里有三次的诺贝尔物理学奖颁给了仰望星空的科学家。这些天体离我们那么远，看它们到底有什么用？

2021年上海交大和《科学》杂志共同发布了125个科学问题，我发现天文学的问题有23个，在所有领域里面是最多的。

一位伟大的科学家希尔伯特曾说，只要一门学科能够出现大量的问题，就说明这个学科是有生命力的。反之，如果问题很少，说明这个学科正在死亡之中。根据希尔伯特的说法，显然最古老的学科——天文学，依旧是充满生命力的一个学科。

那么，我们为什么要仰望星空，而且诺贝尔奖委员会为什么喜欢仰望星空？我们从科学史中去寻找答案。从亚里士多德开始仰望星空，到托勒密、哥白尼、开普勒、伽利略、牛顿，他们仰望星空的过程一直在回答为什么天体在天上运动的问题。最终，这些答案给我们带来了现代科学，可以说，现代科学的产生就是仰望星空的结果。仰望星空的重要性不言而喻。

近年来，天文学的研究获得诺贝尔奖的数量较多，其实与公众对于天文学的关注越来越多不无关系。公众关心天文学的成就，不外乎宇宙起源、黑洞、有没有外星人……2017年、2019年、2020年的诺贝尔奖就关注了这些研究。所以，诺贝尔奖考虑科学成果对人类文明的贡献。诚如诺贝尔先生生前设立诺奖时所说的，奖项将奖励推动人类社会进步的科学家。

频频地“蹭”到诺贝尔奖，天文学到底做对了什么呢？天文学为人类的科学发展做出了贡献。现代科学的建立就是仰望星空的结果，不断提出大问题，拓展了人类对自然和宇宙的认识，丰富了人类文明，推动了人类进步。天文学也提升了青少年对科学的兴趣。天文教育是素质教育的重要组成部分，通过天文学的科普，天文学家们扩大了公众对科学的参与，加强了公众对科学的支持。

（本文图片、视频来源于第772期首都科学讲堂）

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