国防科技
NATIONAL DEFENSE TECHNOLOGY
第42卷第2期2021年4月
Vol. 42, No. 2Apr. 202]
邀请论文
大师的学术风格与科学命运
—
—2020年诺贝尔物理学奖启示朱亚宗
(国防科技大学文理学院，湖南长沙410072 )
［摘 要］杨振宁先生指出，自然科学研究与人文创作一样，也有因人而异的风格，并且这种风格会对研
斯， 奖励他发现黑洞的形成是广义相对论的普遍预言。与此研究相关的三位科学大师——霍金、彭罗斯与爱因斯坦， 他们独特的研究风格与各自的科学命运息息相关。本文对他们的学术风格与科学命运进行了分析和解读，以期
通过大师的经验为人才学、教育学及我国年轻拔尖人才的培养选拔提供有益启示。
［关键词］学术风格；科学命运；霍金；彭罗斯；爱因斯坦
［中图分类号］G312 ［文献标志码］A ［文章编号］1671-4547 (2021 ) 02-0092-08
DOI ： 10.13943/j.issn 1671-4547.2021.02.15
1引言文理兼通的杨振宁先生不仅谙于人文创作 的品味与风格，而且深知科学研究的风格：“一
个人在刚接触到物理学的时候，他所接触的方向
及其思考的方法，与他自己过去的训练和他的个
性结合在一起，会造成一个英文叫做taste，这对 他将来的工作会有十分重要的影响，也许可以说
是有决定性的影响。当然，还有许多别的重要
因素在里头，比如说机会也是一个非常重要的
因素。同时都走到一类道路上去的人，后来所
做出来的结果往往又是很不一样的，这个不一
样的道理，我觉得就是刚才所讲的taste，而这 个taste 的成长基本是在早期。我认为一个人的 幼年跟青年以及与他刚跟这个学科接触的时候
所学到的知识恐怕是决定taste 的基本因素……
taste 跟style 是有很密切的关系的。Style 在中国
叫风格，taste 我倒不知道该怎么译法。有人把它
译为品味 ，taste 的形成比style 稍早一点，往
往在自己还没有做研究工作的时候已经有taste
中国诺贝尔奖获得者T,.............个人的taste 肯定要影响到他后来的
风格。” ［1］
诚如杨振宁先生所言，在一定条件下，_个
人早期形成的品味与后来形成的科学研究风格 会对科学成果及其历史命运产生决定性的影响。 这一视角的深入研究目前还非常罕见，但是对教
育学与人才学有重要的理论价值，对年轻拔尖人
才的培养更有重大的启示作用。
2020年诺贝尔物理学奖首次授予宇宙黑洞
研究大师，延续了 200余年的黑洞探索及其学术，
终于登上世界科学舞台的中心，黑洞探索史上的
大师也开始成为学界关注的对象。作为新的历史
条件下的科学明星，其科学光环下的璀璨与暗 影，可为我们认识科学大师的研究风格及其科学
命运提供有益的启示。
风格概念在文学艺术领域是个人或团队的 作品或创作活动特的一种定性描述，缺乏严密
定量的定义。由于风格在自然科学领域的研究更
为稀少与薄弱，因此，本文结合2020年诺贝尔奖
进行的探讨只是初步的，不当之处，望专家指正。
［收稿日期］2020 - 12 - 26 ［修回日期］2021-01-31 ［采用日期］2021 - 02 - 10 ［作者简介］朱亚宗，男，教授，博士生导师，研究方向为科技哲学与科学史。
朱亚宗：大师的学术风格与科学命运一2020年诺贝尔物理学奖启示93
2霍金：过度超前，缥缈难证
霍金在世时，曾经是世界上最耀眼的科学明星之一，影响力盖过大多数诺贝尔奖得主。人们常常提出一个疑问：为什么诺贝尔物理学奖一直未授予霍金。2020年诺贝尔物理学奖终于青睐黑洞研究，授予彭罗斯、根策尔与盖兹三位黑洞的探索者。许多人为霍金感到惋惜，他于2018年去世，与诺贝尔奖擦肩而过。那么事实与理性究竟如何呢？
霍金的黑洞探索只是漫长黑洞探索史的一瞬，当然是一道强烈的闪光。
黑洞探索的历史迄今已逾两百年。1783年，英国科学家约翰•米歇尔通过计算指出，质量巨大的恒星拥有强大的引力，能够使光线无法逃逸，可能成为不可见的星体。这一理论被称为牛顿版的黑洞假说。1796年，法国科学家拉普拉斯猜测天空中存在看不见的暗星或隐星，独立得出与米歇尔相似的结论⑵。1915年，爱因斯坦广义相对论的发表，使引力与黑洞的探索进入现代物理学时代。1916年，德国天文学家史瓦西通过解广义相对论方程，提出了现代版的黑洞雏形：恒星物质在球体中心的密度压缩为一个点，这个极其致密的中心不带电荷，也不旋转，被称为史瓦西球。1930年，20岁的印度年轻物理学家钱德拉什卡在赴英国留学的海上航行中，研究发现恒星演化为白矮星有一个最大质量极限，超过质量上限的恒星可能进一步坍缩。1935年，钱德拉什卡正式提出了这一理论。1939年，后来担任美国曼哈顿工程总设计师的奥本海默与助手斯奈德提出了更进一步的研究结论：不仅是白矮星，中子星也有最大质量极限，超过质量上限便会引起引力坍缩［209-221。
然而，当许多物理学家深入挖掘、拓展爱因斯坦广义相对论所隐含的恒星演化内涵时，爱因斯坦本人却退缩了。1939年，爱因斯坦发表了_生中“最糟糕的科学论文”，试图证明恒星演化不可能坍缩为一个奇点⑶。20世纪60年代初，普林斯顿大学本科生贝克多夫与导师米舍内尔运用新的数学工具，证明宇宙中可能存在黑洞；而加州利弗莫尔国家实验室的计算机模拟计算也表明，质量足够大的恒星将会坍缩成黑洞。1964年］月18日出版的权威刊物《物理评论快报》首次使用“黑洞”一词。1965年1月，英国物理学家彭罗斯运用巧妙的数学方法，从爱因斯坦广义相对论出发，直接证明了黑洞的存在。这是一个理论的预言，也即黑洞存在的数学物理假说⑵223-225。
半个多世纪后的今天，彭罗斯的研究成果被视为是关于爱因斯坦广义相对论的最重要理论贡献。89岁高龄的彭罗斯因此荣获2020年诺贝尔物理学奖。
从理论上确切地假设存在黑洞到天文观测证实黑洞存在，再到学界普遍认可黑洞存在，历经了半个世纪的探索。今年的另一位获奖者根策尔经过20多年孜孜不倦的天文观测，终于探索到银河系中心存在一个约400万个太阳质量的超大黑洞，于2012年获得瑞典皇家科学院颁发的克拉福德奖。这本是对诺贝尔奖遗漏的科学领域的基础研究成果的奖励，也可称为诺贝尔奖的前奏。还有一位女科学家盖兹也因证实银河系中心的巨大黑洞而获得今年的诺贝尔奖，成为迄今为止第4位荣获诺贝尔物理学奖的女性科学家。
在黑洞研究的历史记录中，霍金的名字也多次出现。1973年，贝肯斯坦将热力学中爛的概念与理论引入黑洞研究，并发表题为《黑洞热力学》的论文，指出黑洞的爛值可通过测量黑洞的视界面积而得到。霍金不能理解并反对贝肯斯坦的新观念，发表了题为《黑洞力学中的四个定律》的论文予以反驳。当时，大多数物理学家也赞同霍金的意见［4］145446o但是，令霍金意想不到的是，自己在反驳贝肯斯坦的理论并进一步研究黑洞性质时，作出了一生最重要的理论创新：第一次将热力学、广义相对论与量子力学融会贯通，由此提出黑洞不黑并向外辐射能量与物质的“霍金辐射”，并推测黑洞迟早会发生爆炸。这些创新见解以《黑洞爆炸？》为题，发表于1974年3月1日出版的《自然》杂志上。虽然论文刚发表时引起不少争论，但不久之后，学界即为霍金的严密论证和创新见解所折服，甚至有人认
为霍金的新理论是近几年理论物理最重要的进展，且霍金的论文是物理学史上最漂亮的论文之一。这一成果使32岁的霍金成为最年轻的英国皇家学会会员［4］151一153。但是，作为理论物理学家的霍金，对天文实测意义的理解与判断并不佳。1974年，霍金与索恩就天鹅座x-1是否为黑洞打过一次赌，索恩赌是，霍金赌不是。到了1990年，霍金终于向索恩认输，承认天鹅座x-1是黑洞。
究竟应该如何评价霍金的科学贡献呢？霍
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金自然是当代世界一流的理论物理学家，他的综合热力学、广义相对论、量子力学理论于宇宙学研究，黑洞不黑的“霍金辐射”理论于物理学研究，都是重要的创新成果。霍金因此也获得了许多荣誉与奖赏，除英国皇家学会会员外，他还获得了梵蒂冈教皇授予的庇护十一世奖章、爱丁顿奖章、休斯奖章及爱因斯坦奖等。但是，霍金始终与最著名的诺贝尔奖无缘，甚至瑞典皇家科学院的诺贝尔遗漏科学领域的克拉福德奖，也于霍金在世时颁给了今年诺贝尔物理学奖获得者之一的根策尔，以表彰根策尔在黑洞研究方面的贡献，这似乎使有“黑洞主宰者”称号的霍金有些尴尬。但是，无论从纯粹专业的视角来看，还是站在黑洞研究的科学史立场上来看，学界并未低估霍金的贡献。
以物质及其规律为研究对象的科学，其早期的研究主流必然是求证物质存在的真实性。具体的求证过程包含两种情形：一是先有理论预言，后有观测、实验证实；二是先偶然发现物质及其现象，后作出
理论解释。黑洞的研究也不例外，只是由于黑洞过于遥远，信息微弱，理论构建与实际观测都非常困难。从总体上来说，黑洞研究还是理论研究引领天文观测。钱德拉什卡指出由恒星演化来的白矮星存在质量上限，大质量的白矮星会坍缩；奥本海默与斯奈德进一步认为，恒星在由白矮星向更致密的中子星演化时，也存在质量上限，大质量的中子星也会坍缩。彭罗斯的研究则更进一步，他于1965年1月发表的论文从爱因斯坦广义相对论出发，直接推出宇宙中存在无限大的奇点，奇点对应的物质存在就是黑洞，彭罗斯提出了黑洞存在最深刻、彻底的理论预言。根策尔与盖兹分别领导的两个天文观测团队通过近30年的天文观测与理论分析，一致认为银河系中心存在一个400万个太阳质量的巨大黑洞。黑洞的理论预言终于为天文观测所证实，但从1965年彭罗斯的理论预言到获得诺贝尔奖，相隔55年之久，比1930年钱德拉什卡预言白矮星坍缩到1983年获得诺贝尔奖的间隔还多两年。
再看霍金的理论预言“黑洞辐射”。在极远距离的尺度上，弓I力的信息最明显，银河中心黑洞的巨大引力使周围的恒星急速旋转。根策尔与盖兹发现了一颗围绕黑洞旋转，周期为16年的恒星，这是银河中心存在黑洞的实测证据之一。但是霍金预言的“黑洞辐射”信号穿透作用不及引力的理论迄今无法证实，也不知何时可被天文仪器观测到。霍金无缘诺贝尔奖无疑与研究方向有关。尽管霍金的理论深奥精致，自成一家，但是问题深不可测，现象虚无缥缈，难以获得证实的理论，自然无缘诺贝尔奖。从霍金选择最难以实证的研究课题起，其学术命运注定了与冷寂相伴，尽管漂亮的论文与预言可以轰动一时。相比之下，日本的汤川秀树于1935年从理论上预言介子的存在，1947年介子被实验发现，1949年
汤川秀树即被授予诺贝尔物理学奖；温伯格于1967年提出了弱力与电磁力统一的理论，并预言存在一种“中性流”，1973年这一预言被实验证实，1979年温伯格即与格拉肖、萨拉姆分享了诺贝尔物理学奖。对霍金而言，在他选择宇宙演化的宏大课题时，比他年长11岁的彭罗斯已捷足先登，于1965年1月打通广义相对论到黑洞的数学通道，从理论上预言了黑洞的存在，这时霍金还处于攻读博士学位的学术“脱毛”期。待霍金展翅时，他只能在更深奥莫测的黑洞属性上做文章，预言了“黑洞辐射”的未知现象。但当时，黑洞是否存在还是一个问题，更不用说黑洞的辐射现象了，专业领域对霍金的理论只能在想象与抽象逻辑中欣赏，而不可能有实质性的肯定，霍金生前与诺贝尔奖无缘即在情理之中。倘若霍金晚生30年，以首提“黑洞辐射”的贡献，很可能在天文观测证实这一预言后，他便能够在黑洞的下一轮诺贝尔授奖中获奖。
失之东隅，收之桑榆。霍金无缘人类最高等级的大奖，声誉却压倒大多数诺贝尔奖得主，成为最耀眼的科学明星之一：“黑洞主宰者”“黑洞之王”“当今的爱因斯坦”“宇宙的主宰者”等桂冠漫天飞舞。但他获得的声誉至少有一半源于学界、媒体与公众对身残志坚的优秀人才的好奇、赞赏与悲悯。影视节目的播放又进一步推波助澜，《美丽的心灵》使曾经精神失常的诺贝尔经济奖得主纳什家喻户晓，而英国广播公司的纪实节目《宇宙的主人》更使霍金轰动全球。人性与媒体本来就对与众不同的人物与事件有特殊的敏感性，杨振宁先生晚年也不无感慨地说，自己根本没想到人们对他第二段婚姻的关注，远远超过了对他获得诺贝尔奖的关注。大众对于霍金的兴趣与关注，大体也是猎奇心理压倒专业判断。
朱亚宗：大师的学术风格与科学命运一2020年诺贝尔物理学奖启示95
霍金虽然是杰出的理论物理学家与宇宙学家，但也并非担当得起众多桂冠之名声。在科学能力上，霍金有一流的数理才华，也有对于科学新思想的独特敏感性，但也并非人们想象的那样厉害。霍金早年博士论文的思想，就是对大师兄彭罗斯一个原创成果的移用：在一次学术会议上，彭罗斯用巧妙的数学方法证明黑洞中央会形成奇点。这一原创性思想与方法使彭罗斯在数十年后荣获诺贝尔物理学奖，霍金当时听后深受启发，激动地对导师西阿马说：“如果把彭罗斯讲的’奇点理论’用到整个宇宙上，而不仅仅用在黑洞里，不知道会发生什么”。西阿马赞同霍金深入研究这一问题，并将其定为霍金的博士论文题目。几个月后，霍金顺利完成博士论文，并得出一个重要结论：宇宙过去曾经有过一个奇点。最后的评审意见是：论文虽然有些粗糙，但最后一章很出⑷1"。
不仅霍金的博士论文受过师兄的直接启发，他最重要的科学发现——“黑洞辐射”，也是苏联同行创新思想的接续与发展。1973年9月，霍金访问莫斯科，拜访了那里活跃的天体物理学家。其中有位叫泽利多维奇的学术带头人，早在1969年就猜测到黑洞会旋转并发出辐射，而且意识到这种辐射可从广义相对论与量子力学的理论结合中推导出来，遗憾的是泽利多维奇的数理功力不足以进行这样的推导。泽利多维奇团队的年轻科学家斯塔罗宾斯基在与霍金交谈时，还直接提出了一个惊人的想法：黑洞可能像恒星一样旋转，并辐射出基本粒子。但是当时霍金不喜欢他的推导方法。今日学界公认，“这一次拜访和讨论对霍金起了非常关键的作用。”霍金回到英国后，埋头苦干了两个多月，结合运用热力学、广
义相对论与量子力学理论，凭借超常的数理能力，推导出令人惊奇的结论：黑洞不只是“蒸发”，而是“喷射”式地向外辐射。他终于以“黑洞辐射”理论登上天体物理的理论高峰［4］147'149o
霍金无缘诺贝尔奖，只因其研究过于超前，他在黑洞研究尚处于存在性认证的时代，更深一步地看出了黑洞的精细特性一一“黑洞辐射”。但早产的卓越成果常常无缘诺贝尔奖，即使有幸获奖，也需旷日持久的等待。而诺贝尔奖评审的迟滞、矛盾、失误远不止此。1957年，李政道、杨振宁先生因宇称不守恒定律的发现而获诺贝尔奖，以实验证实这一发现的吴健雄未能获奖；1995年，莱茵斯因实验检测到中微子而获得诺贝尔奖，当时首先提出中微子间接测量原理的中国科学家王筮昌尚健在，却未能因此获奖。究竟是理论家获奖，还是实证者获奖，亦或如2020年这样，理论家与实证者同时获奖，看来评奖者并无定数，亦或是因人、因科、因势而异。
事实上，不仅授奖有不确定性，设奖本身就有不确定性。如果不是到1966年方设图灵奖，电子计算机之父冯-诺伊曼当获图灵奖。由此可以理解，为何许多彪炳史册的科学巨星未获国际大奖，冯-诺伊曼之外，门捷列夫、冯-卡门、王稔昌等未获诺贝尔奖，陈省身、华罗庚、吴文俊等也未获菲尔兹奖。而丹麦一位病理学家菲比格，却因错误的寄生虫致癌说，获得1926年的诺贝尔生理学或医学奖。因为授奖、设奖的客观不确定性，加上淡泊名利的品格修养，绝大多数顶级科学家对国际大奖都抱有“得之淡然，失之坦然”的超然心态。他们甚至从未想过要得国际大奖，只是在接到获奖的电话通知时，感到“意外的惊喜”。在这方面，屠呦呦与钱德拉什卡的心态、品格尤其令人钦佩。在中国，屠呦呦的低调已众
所周知，钱德拉什卡的淡泊则在物理学界之外鲜有人知。
1983年荣获诺贝尔奖后，钱德拉什卡在接受采访时说，“我任何时候都从未想过我自己会成为一个可能的候选人。我连可能成为候选人的念头也从未出现过。”钱德拉什卡对那些成就卓越而耿耿于怀于未获奖的科学家，明显地表示不屑与惋惜：“我批评的实际上绝不是那些获奖者，我只是批评诺贝尔奖造成的气氛和批评某些人追逐诺贝尔奖的方式，有些人都泯灭了自己的良心。……我记得海森伯获奖的那年，……访问卡文迪什实验室。我坐在演讲厅的最后一排，玻恩坐在我旁边。……当卢瑟福、阿斯顿、査德威克、狄拉克、海森伯等杰出科学家步入时，所有的人都站起来鼓掌欢迎。玻恩含着泪说：'我应当在那里，我应当在那里。‘我觉得它在很大程度上扭曲了科学。”【5］玻恩有高超的科学水平与创立量子力学的卓越贡献，足以位列诺贝尔奖行列，他也在如此失态之后的1954年获得了诺贝尔奖，但始终缺乏“淡然”“坦然”的襟怀，因而失去了征服人心的人格魅力。
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3彭罗斯：巨星肩头，跨界创新
爱因斯坦的伟大创新一一狭义相对论与广义相对论，是连续两个10年坚韧不拔的研究成果，从理论的内涵上看，广义相对论似乎是狭义相对论自然的拓展与延伸，但爱因斯坦从另一角度指出二者的一个根本区别。迈克耳逊-莫雷实验明显暴露出经典物理的内在危机，使经典物理的改革与发展成为物理学
界共同关注的前沿问题，彭加勒、洛仑兹等科学大师已在通向狭义相对论的道路上奋力探索，并取得了洛仑兹变换等重大进展。爱因斯坦在这场科学竞赛中虽然捷足先登，但也承认，这是物理学长期发展的一个自然结果。爱因斯坦若不创立狭义相对论，其他物理科学家也会很快走上这一步。而广义相对论的情形完全不同，除爱因斯坦以外，整个物理学界尚无人察觉到相应的科学问题。尽管水星近日点进动的理论计算值与天文实测不符，但没有人想到牛顿的引力理论需要发展，而只是猜测有未知的近日行星影响了水星的运行，思路局限在经典引力理论中解决问题。爱因斯坦的广义相对论可以说是远远超越物理学时代需求的天才创新，“此曲只应天上有，人间能得几回闻。”超时代的科学创新，通常会被时代冷落，甚至受到滞后的意识形态的制裁，哥白尼与伽利略倡导日心说的遭遇家喻户晓。抛开意识形态，化学家门捷列夫于1869年发表了元素周期表，今天看来是一个里程碑式的重大创新。然而宜到20年后，新发现的三个元素证实了周期表的预言后，门捷列夫方才获得一定的学术地位，37年后的1906年，遴选诺贝尔化学奖时，门捷列夫以一票之差，输给了提纯氟气与发现高温电弧炉的莫瓦桑。门捷列夫未获诺贝尔奖，是人类科学史的遗憾。爱因斯坦创立的广义相对论本来是远离物理学视域的孤独创新，但是爱因斯坦有“顶天立地”的才华，不仅擅长科学想象与物理推理，而且注重坚实的科学实测证明，能将极抽象的广义相对论与最直观的天文观测相联系，预言在日全食时可观测到太阳视运动背景下星体位置的微移。广义相对论发表仅仅4年后的1919年，爱丁顿团队即在南非日全食观测中证实了爱因斯坦的预言，物理学界乃至全世界为之惊倒。1921年爱因斯坦荣获诺贝尔物理学奖，虽不因相对论本身获奖，但相对论的成功预言及巨大影响，无疑是将爱因斯坦推上高峰的力量。
举世瞩目的2020年诺贝尔物理学奖第一次授予了黑洞探索者，其中牛津大学数学教授彭罗斯的跨界获奖特别引人注目。彭罗斯可以说是当代最广博、深遂的自然科学家之一，湖南科技出版社已出版彭罗斯的4本著作：《皇帝新脑》《通向实在之路》《宇宙的轮回》与《时空本性》。笔者稍为深入阅读过《皇帝新脑1书，原书于1989年由牛津大学出版社出版，1994年译成中文出版，它的副标题是“有关电脑、人脑及物理定律”，全书涉及计算机科学、人工智能、神经生理学、认知科学、数学、物理学、宇宙学、哲学及科技史等学科专业，内容淹博精深，观念深远独到。彭罗斯20世纪80年代末对第二波人工智能浪潮中盲目乐观思潮的冷静思考，在30多年后的今天，尽管出现了“深度学习”这样的重大突破，仍然不失其深刻与远见：“迄今为止，AI已进展到何等程度呢……可以公正地说，虽然的确做了许多聪明的事，对真正智慧的任何模拟还是非常遥远的事。”[6]
彭罗斯出生于英国伦敦的一个医学家庭，父亲希望儿子学习医学与生物学，彭罗斯却喜欢数学。父亲请来伦敦大学的数学家进行测评，彭罗斯答对了全部12道题，得以进入伦敦大学数学系学习。求学期间，彭罗斯在钻研数学以外，对物理学中的宇宙学也产生了浓厚兴趣。“他要完成他的数学博士，不过对宇宙的追求从此也成为他向前的动力。在未来的10年里，他一只脚牢牢地扎根在数学，另一只脚却踏进了物理学。”°]429数学与物理学的交叉导致彭罗斯将自己掌握的数学拓扑学方法用于爱因斯坦广义相对论的计算，独特地描述了星体坍缩中的奇点问题，并证明了彭罗斯奇点定理。彭罗斯将这一研究成果写成一篇短文，发表于1965年1月的《物理学评论通讯》。彭罗斯奇点定理指出，一颗恒星在
发生剧烈坍缩后，如果引力足够强大，就不可能有什么力量阻挡引力进一步增强而产生奇点，结果是“每个黑洞在它内部都必然有一个奇点。这个奇点定理最令人惊讶的地方在于它巨大的普适能力。……惊人的力量来自他在证明中使用的一种新的数学工具，以前还没有物理学家在弯曲时空的计算中用过，那就是拓扑学。”[3]430彭罗斯引入新的数学工具一一拓扑学的跨界创新，以及关于黑洞的新观点，因绝大多数物
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