在物理學(xué)的殿堂里，有這樣一群探索者，他們用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言描繪宇宙最神秘的天體，用理論的光芒照亮?xí)r空最深邃的角落。2025年8月8日，國(guó)際理論物理中心（ICTP）將象征理論物理最高榮譽(yù)之一的狄拉克獎(jiǎng)?wù)?，授予了四位在引力和黑洞研究領(lǐng)域做出開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)的科學(xué)家。他們是：加里·吉本斯、加里·霍洛維茨、羅伊·克爾和羅伯特·沃爾德。

獲得2025年ICTP狄拉克獎(jiǎng)的四位科學(xué)家

（圖片來(lái)源：ICTP狄拉克獎(jiǎng)官網(wǎng)）

狄拉克與狄拉克獎(jiǎng)

保羅·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902–1984）是20世紀(jì)最杰出的理論物理學(xué)家之一，被譽(yù)為“量子力學(xué)的建筑師”。他出生于英國(guó)布里斯托爾，青年時(shí)期在劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)并迅速嶄露頭角。在量子力學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，狄拉克提出了狄拉克方程，將量子力學(xué)與狹義相對(duì)論相結(jié)合，不僅優(yōu)雅地描述了自旋1/2粒子（如電子）的性質(zhì)，還預(yù)言了電子的反粒子——正電子的存在，這一預(yù)言在1932年被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

狄拉克在量子場(chǎng)論、費(fèi)米–狄拉克統(tǒng)計(jì)、磁單極子理論等方面的貢獻(xiàn)，奠定了現(xiàn)代物理的多個(gè)重要基礎(chǔ)。1933年，狄拉克因?qū)υ永碚撔滦问降呢暙I(xiàn)，與薛定諤共享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。狄拉克以簡(jiǎn)潔、嚴(yán)謹(jǐn)和極高數(shù)學(xué)美感的理論聞名，被認(rèn)為是物理學(xué)史上極富創(chuàng)造力和洞察力的思想家。

保羅·狄拉克肖像（1933年）

（圖片來(lái)源：公有領(lǐng)域）

國(guó)際理論物理中心（ICTP）狄拉克獎(jiǎng)（Dirac Medal）由位于意大利的國(guó)際理論物理中心于1985年設(shè)立，以紀(jì)念保羅·狄拉克在量子力學(xué)和相對(duì)論領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)。該獎(jiǎng)每年在狄拉克的生日——8月8日——公布獲獎(jiǎng)名單，授予在理論物理及數(shù)學(xué)領(lǐng)域取得重大成就的科學(xué)家。評(píng)選由國(guó)際委員會(huì)負(fù)責(zé)，候選人須由同行提名，并且不授予已獲得諾貝爾獎(jiǎng)、菲爾茲獎(jiǎng)或沃爾夫獎(jiǎng)的科學(xué)家。

狄拉克獎(jiǎng)以其高度的學(xué)術(shù)聲譽(yù)，被視為理論物理界的重要國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)之一，許多得主后來(lái)都獲得了包括諾貝爾獎(jiǎng)在內(nèi)的世界頂級(jí)科學(xué)大獎(jiǎng)。

1927年索爾維會(huì)議，狄拉克坐在第二排左起第五

（圖片來(lái)源：公有領(lǐng)域）

從紙上談兵到宇宙現(xiàn)實(shí)

黑洞，這個(gè)連光都無(wú)法逃脫的天體怪物，曾經(jīng)只是愛(ài)因斯坦方程式中的一個(gè)數(shù)學(xué)解?？茖W(xué)家們一度認(rèn)為，這種極端的天體可能只存在于理論的想象中。然而，隨著天文觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步——從引力波探測(cè)器LIGO的成功運(yùn)行，到事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝到第一張黑洞照片——黑洞已經(jīng)從理論假說(shuō)變成了可觀測(cè)的宇宙現(xiàn)實(shí)。

這四位獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ?，正是搭建了從純理論到觀測(cè)現(xiàn)實(shí)的橋梁。他們各自從不同角度——廣義相對(duì)論、量子引力、弦理論——探索引力的本質(zhì)，而黑洞成為了檢驗(yàn)這些理論的完美實(shí)驗(yàn)室。正如ICTP主任阿蒂什·達(dá)博爾卡所說(shuō)：“這枚狄拉克獎(jiǎng)?wù)率菍?duì)我們物理理論力量的致敬，以及對(duì)支撐這些理論的豐富數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的認(rèn)可?！?/p>

位于M87中心的特大質(zhì)量黑洞，由事件視界望遠(yuǎn)鏡成像并于2019年4月10日公布，是人類史上第一張黑洞直接觀測(cè)影像。

（圖片來(lái)源：維基百科）

旋轉(zhuǎn)的時(shí)空漩渦：克爾的突破

讓我們先從羅伊·克爾說(shuō)起。1963年，這位新西蘭數(shù)學(xué)家取得了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：他找到了描述旋轉(zhuǎn)黑洞的精確數(shù)學(xué)解。這就像是在一片迷霧中突然找到了指南針。

在克爾之前，科學(xué)家們只知道史瓦西解，它描述的是一個(gè)完全靜止、球?qū)ΨQ的黑洞。但宇宙中的天體幾乎都在旋轉(zhuǎn)——從行星到恒星，從星系到黑洞?？藸柕慕饩拖窠o黑洞裝上了“陀螺”，讓它們能夠旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

克爾解揭示了許多奇妙的現(xiàn)象。比如“框架拖曳”效應(yīng)——想象你在一個(gè)巨大的攪拌機(jī)旁邊，即使你想保持靜止，也會(huì)被旋轉(zhuǎn)的流體帶著轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)黑洞周圍的時(shí)空就是這樣，它會(huì)拖著周圍的一切跟著旋轉(zhuǎn)。還有“能層”區(qū)域，在這里，物體的能量可以是負(fù)的，理論上你可以從旋轉(zhuǎn)黑洞中提取能量，這被稱為“彭羅斯過(guò)程”。

今天，當(dāng)LIGO探測(cè)到兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波時(shí)，科學(xué)家們用的正是克爾解來(lái)解釋這些信號(hào)。當(dāng)事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞時(shí)，那個(gè)發(fā)光的吸積盤的形狀，也符合克爾解預(yù)言的結(jié)果。

LIGO位于漢福德（H1）及利文斯頓（L1）的兩架干涉儀于2015年9月14日探測(cè)到的引力波事件GW150914。這是人類史上首個(gè)引力波直接探測(cè)結(jié)果。

（圖片來(lái)源：維基百科）

量子引力的歐幾里得之路：吉本斯的貢獻(xiàn)

加里·吉本斯的工作則把我們帶入了量子引力的神秘領(lǐng)域。他與霍金合作開(kāi)發(fā)的“歐幾里得路徑積分”方法，就像是給量子引力理論裝上了一副新的眼鏡。

什么是路徑積分？想象你要從家到公司，在經(jīng)典物理中，你會(huì)選擇最短的路徑。但在量子世界里，你需要考慮所有可能的路徑——包括繞地球一圈再到公司的荒謬路徑。路徑積分就是把所有這些可能性都考慮在內(nèi)的數(shù)學(xué)方法。

吉本斯和霍金的創(chuàng)新在于，他們把時(shí)間變成了虛數(shù)（就像數(shù)學(xué)中的i），這樣四維時(shí)空就變成了四維歐幾里得空間。這個(gè)看似瘋狂的數(shù)學(xué)技巧，卻讓許多原本無(wú)法計(jì)算的問(wèn)題變得可解。通過(guò)這種方法，他們成功推導(dǎo)出了黑洞的溫度和熵，證明黑洞不是絕對(duì)黑的，而是會(huì)發(fā)出微弱的輻射——這就是著名的霍金輻射。

吉本斯還研究了“引力瞬子”，這是時(shí)空中的特殊結(jié)構(gòu)，就像水中的漩渦。這些研究為理解宇宙的量子起源提供了重要線索。

弦理論與黑洞的交響：霍洛維茨的開(kāi)拓

加里·霍洛維茨則堪稱將弦理論與引力完美結(jié)合的先驅(qū)。弦理論認(rèn)為，宇宙的基本組成不是點(diǎn)狀粒子，而是振動(dòng)的弦。這些弦的不同振動(dòng)模式對(duì)應(yīng)著不同的粒子。

1984年，霍洛維茨與合作者提出了“卡拉比-丘緊化”方案。這就像是把一個(gè)十維的世界巧妙地卷起來(lái)，讓我們只能看到四維時(shí)空。想象一根花園水管，從遠(yuǎn)處看它是一維的線，但螞蟻爬在上面就知道它其實(shí)是二維的圓柱面。額外的六個(gè)維度就這樣被“卷”在了每個(gè)時(shí)空點(diǎn)上，小到我們無(wú)法察覺(jué)。

霍洛維茨還研究了“黑膜”——高維空間中的黑洞類比物。這項(xiàng)工作直接導(dǎo)致了AdS/CFT對(duì)應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，這是理論物理近幾十年來(lái)最重要的突破之一。簡(jiǎn)單說(shuō)，它告訴我們：一個(gè)有引力的高維空間，可以用低一維的沒(méi)有引力的量子場(chǎng)論來(lái)完全描述。這就像說(shuō)，你可以用墻上的影子完全重建三維物體的信息。

最近，霍洛維茨還將這些理論應(yīng)用到凝聚態(tài)物理，借助黑洞模型來(lái)理解高溫超導(dǎo)體。這展示了基礎(chǔ)理論研究意想不到的應(yīng)用價(jià)值。

卡拉比–丘流形的三維投影

（圖片來(lái)源：維基百科）

黑洞熵的諾特定理：沃爾德的嚴(yán)謹(jǐn)

羅伯特·沃爾德的工作則以數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性著稱。他最重要的貢獻(xiàn)之一是“沃爾德熵”公式，這個(gè)公式告訴我們?nèi)绾卧谌魏我碚撝杏?jì)算黑洞的熵。

熵是什么？可以理解為系統(tǒng)的混亂程度。一個(gè)整齊的房間熵很低，一個(gè)凌亂的房間熵很高。黑洞的熵與它的視界面積成正比——黑洞面積越大，熵越高。但為什么是面積而不是體積？這暗示著引力可能是一種“全息”現(xiàn)象，三維空間的信息可能都編碼在二維表面上。

沃爾德的創(chuàng)新在于，他把黑洞熵與“諾特定理”聯(lián)系起來(lái)。諾特定理是物理學(xué)中最美的定理之一：每一個(gè)對(duì)稱性對(duì)應(yīng)一個(gè)守恒量。比如，時(shí)間平移對(duì)稱對(duì)應(yīng)能量守恒，空間平移對(duì)稱對(duì)應(yīng)動(dòng)量守恒。沃爾德發(fā)現(xiàn)，黑洞熵可以理解為與時(shí)空對(duì)稱性相關(guān)的量，該物理量被稱為諾特荷。

沃爾德還在彎曲時(shí)空中的量子場(chǎng)論方面做出了奠基性工作。他的教科書《廣義相對(duì)論》被認(rèn)為是這個(gè)領(lǐng)域的經(jīng)典著作，培養(yǎng)了一代又一代的相對(duì)論研究者。

引力研究的未來(lái)

黑洞研究看似遙遠(yuǎn)而抽象，但它與現(xiàn)實(shí)生活之間有著深刻的聯(lián)系。為了揭示黑洞的奧秘，科學(xué)家必須處理海量而復(fù)雜的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這直接推動(dòng)了高性能計(jì)算、人工智能算法和精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，而這些技術(shù)早已滲透進(jìn)醫(yī)學(xué)影像分析、氣候預(yù)測(cè)、金融建模等日常領(lǐng)域。引力波探測(cè)等研究還帶來(lái)了超高精度的激光和震動(dòng)隔離等技術(shù)，這些技術(shù)也已被應(yīng)用于制造業(yè)、導(dǎo)航和地震監(jiān)測(cè)之中。

更重要的是，黑洞研究不斷挑戰(zhàn)人類對(duì)時(shí)間、空間和因果的傳統(tǒng)理解，拓展了科學(xué)思維的邊界，影響著教育、哲學(xué)和科幻創(chuàng)作，并激發(fā)公眾的科學(xué)興趣與想象力。雖然對(duì)黑洞能量的利用或在其附近航行目前仍停留在理論設(shè)想階段，但在探索過(guò)程中積累的極端物理?xiàng)l件模擬和新材料研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可能在未來(lái)深空探測(cè)、能源開(kāi)發(fā)以及極端環(huán)境工程中發(fā)揮作用。黑洞不僅是宇宙中的神秘天體，更是推動(dòng)人類科技進(jìn)步與思維革新的動(dòng)力源。

這四位科學(xué)家的工作，不僅深化了我們對(duì)引力和黑洞的理解，更重要的是，他們開(kāi)辟了新的研究方向。今天，當(dāng)我們用引力波探測(cè)器“聆聽(tīng)”宇宙的交響樂(lè)，用事件視界望遠(yuǎn)鏡“拍攝”黑洞的肖像時(shí)，我們使用的理論工具，正是建立在他們的工作基礎(chǔ)之上。

從克爾的旋轉(zhuǎn)黑洞解到吉本斯的量子引力方法，從霍洛維茨的弦理論應(yīng)用到沃爾德的數(shù)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性，這四位獲獎(jiǎng)?wù)哒故玖死碚撐锢硌芯康牟煌矫妫何锢碇庇X(jué)、數(shù)學(xué)技巧、跨學(xué)科視野和嚴(yán)格論證。他們的工作提醒我們，即使在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的情況下，純粹的理論探索也能帶來(lái)深刻的洞見(jiàn)。

正如黑洞曾經(jīng)只是方程式中的數(shù)學(xué)怪物，如今卻成為宇宙中最迷人的天體，這四位科學(xué)家的理論工作，也許正在為我們打開(kāi)通向量子引力、宇宙起源乃至多重宇宙的大門。在這個(gè)引力波天文學(xué)和黑洞成像的新時(shí)代，他們的貢獻(xiàn)將繼續(xù)照亮我們探索宇宙最深?yuàn)W秘密的道路。

一個(gè)由薄吸積盤照亮的史瓦西黑洞地平線外的模擬景象

（圖片來(lái)源：NASA）

出品：科普中國(guó)

作者：吳剛（中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院）

審校：吳斌（雪城大學(xué)博士后研究員）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽