黑洞探索者的荣耀：2025年狄拉克奖揭晓引力研究新篇章

在物理学的殿堂里，有这样一群探索者，他们用数学的语言描绘宇宙最神秘的天体，用理论的光芒照亮时空最深邃的角落。2025年8月8日，国际理论物理中心（ICTP）将象征理论物理最高荣誉之一的狄拉克奖章，授予了四位在引力和黑洞研究领域做出开创性贡献的科学家。他们是：加里·吉本斯、加里·霍洛维茨、罗伊·克尔和罗伯特·沃尔德。

获得2025年ICTP狄拉克奖的四位科学家

（图片来源：ICTP狄拉克奖官网）

狄拉克与狄拉克奖

保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902–1984）是20世纪最杰出的理论物理学家之一，被誉为“量子力学的建筑师”。他出生于英国布里斯托尔，青年时期在剑桥大学学习并迅速崭露头角。在量子力学发展的关键时期，狄拉克提出了狄拉克方程，将量子力学与狭义相对论相结合，不仅优雅地描述了自旋1/2粒子（如电子）的性质，还预言了电子的反粒子——正电子的存在，这一预言在1932年被实验证实。

狄拉克在量子场论、费米–狄拉克统计、磁单极子理论等方面的贡献，奠定了现代物理的多个重要基础。1933年，狄拉克因对原子理论新形式的贡献，与薛定谔共享诺贝尔物理学奖。狄拉克以简洁、严谨和极高数学美感的理论闻名，被认为是物理学史上极富创造力和洞察力的思想家。

保罗·狄拉克肖像（1933年）

（图片来源：公有领域）

国际理论物理中心（ICTP）狄拉克奖（Dirac Medal）由位于意大利的国际理论物理中心于1985年设立，以纪念保罗·狄拉克在量子力学和相对论领域的卓越贡献。该奖每年在狄拉克的生日——8月8日——公布获奖名单，授予在理论物理及数学领域取得重大成就的科学家。评选由国际委员会负责，候选人须由同行提名，并且不授予已获得诺贝尔奖、菲尔兹奖或沃尔夫奖的科学家。

狄拉克奖以其高度的学术声誉，被视为理论物理界的重要国际奖项之一，许多得主后来都获得了包括诺贝尔奖在内的世界顶级科学大奖。

1927年索尔维会议，狄拉克坐在第二排左起第五

（图片来源：公有领域）

从纸上谈兵到宇宙现实

黑洞，这个连光都无法逃脱的天体怪物，曾经只是爱因斯坦方程式中的一个数学解。科学家们一度认为，这种极端的天体可能只存在于理论的想象中。然而，随着天文观测技术的进步——从引力波探测器LIGO的成功运行，到事件视界望远镜拍摄到第一张黑洞照片——黑洞已经从理论假说变成了可观测的宇宙现实。

这四位获奖者的工作，正是搭建了从纯理论到观测现实的桥梁。他们各自从不同角度——广义相对论、量子引力、弦理论——探索引力的本质，而黑洞成为了检验这些理论的完美实验室。正如ICTP主任阿蒂什·达博尔卡所说：“这枚狄拉克奖章是对我们物理理论力量的致敬，以及对支撑这些理论的丰富数学结构的认可。”

位于M87中心的特大质量黑洞，由事件视界望远镜成像并于2019年4月10日公布，是人类史上第一张黑洞直接观测影像。

（图片来源：维基百科）

旋转的时空漩涡：克尔的突破

让我们先从罗伊·克尔说起。1963年，这位新西兰数学家取得了一个惊人的发现：他找到了描述旋转黑洞的精确数学解。这就像是在一片迷雾中突然找到了指南针。

在克尔之前，科学家们只知道史瓦西解，它描述的是一个完全静止、球对称的黑洞。但宇宙中的天体几乎都在旋转——从行星到恒星，从星系到黑洞。克尔的解就像给黑洞装上了“陀螺”，让它们能够旋转起来。

克尔解揭示了许多奇妙的现象。比如“框架拖曳”效应——想象你在一个巨大的搅拌机旁边，即使你想保持静止，也会被旋转的流体带着转动。旋转黑洞周围的时空就是这样，它会拖着周围的一切跟着旋转。还有“能层”区域，在这里，物体的能量可以是负的，理论上你可以从旋转黑洞中提取能量，这被称为“彭罗斯过程”。

今天，当LIGO探测到两个黑洞合并产生的引力波时，科学家们用的正是克尔解来解释这些信号。当事件视界望远镜拍摄M87星系中心的超大质量黑洞时，那个发光的吸积盘的形状，也符合克尔解预言的结果。

LIGO位于汉福德（H1）及利文斯顿（L1）的两架干涉仪于2015年9月14日探测到的引力波事件GW150914。这是人类史上首个引力波直接探测结果。

（图片来源：维基百科）

量子引力的欧几里得之路：吉本斯的贡献

加里·吉本斯的工作则把我们带入了量子引力的神秘领域。他与霍金合作开发的“欧几里得路径积分”方法，就像是给量子引力理论装上了一副新的眼镜。

什么是路径积分？想象你要从家到公司，在经典物理中，你会选择最短的路径。但在量子世界里，你需要考虑所有可能的路径——包括绕地球一圈再到公司的荒谬路径。路径积分就是把所有这些可能性都考虑在内的数学方法。

吉本斯和霍金的创新在于，他们把时间变成了虚数（就像数学中的i），这样四维时空就变成了四维欧几里得空间。这个看似疯狂的数学技巧，却让许多原本无法计算的问题变得可解。通过这种方法，他们成功推导出了黑洞的温度和熵，证明黑洞不是绝对黑的，而是会发出微弱的辐射——这就是著名的霍金辐射。

吉本斯还研究了“引力瞬子”，这是时空中的特殊结构，就像水中的漩涡。这些研究为理解宇宙的量子起源提供了重要线索。

弦理论与黑洞的交响：霍洛维茨的开拓

加里·霍洛维茨则堪称将弦理论与引力完美结合的先驱。弦理论认为，宇宙的基本组成不是点状粒子，而是振动的弦。这些弦的不同振动模式对应着不同的粒子。

1984年，霍洛维茨与合作者提出了“卡拉比-丘紧化”方案。这就像是把一个十维的世界巧妙地卷起来，让我们只能看到四维时空。想象一根花园水管，从远处看它是一维的线，但蚂蚁爬在上面就知道它其实是二维的圆柱面。额外的六个维度就这样被“卷”在了每个时空点上，小到我们无法察觉。

霍洛维茨还研究了“黑膜”——高维空间中的黑洞类比物。这项工作直接导致了AdS/CFT对应的发现，这是理论物理近几十年来最重要的突破之一。简单说，它告诉我们：一个有引力的高维空间，可以用低一维的没有引力的量子场论来完全描述。这就像说，你可以用墙上的影子完全重建三维物体的信息。

最近，霍洛维茨还将这些理论应用到凝聚态物理，借助黑洞模型来理解高温超导体。这展示了基础理论研究意想不到的应用价值。

卡拉比–丘流形的三维投影

（图片来源：维基百科）

黑洞熵的诺特定理：沃尔德的严谨

罗伯特·沃尔德的工作则以数学的严谨性著称。他最重要的贡献之一是“沃尔德熵”公式，这个公式告诉我们如何在任何引力理论中计算黑洞的熵。

熵是什么？可以理解为系统的混乱程度。一个整齐的房间熵很低，一个凌乱的房间熵很高。黑洞的熵与它的视界面积成正比——黑洞面积越大，熵越高。但为什么是面积而不是体积？这暗示着引力可能是一种“全息”现象，三维空间的信息可能都编码在二维表面上。

沃尔德的创新在于，他把黑洞熵与“诺特定理”联系起来。诺特定理是物理学中最美的定理之一：每一个对称性对应一个守恒量。比如，时间平移对称对应能量守恒，空间平移对称对应动量守恒。沃尔德发现，黑洞熵可以理解为与时空对称性相关的量，该物理量被称为诺特荷。

沃尔德还在弯曲时空中的量子场论方面做出了奠基性工作。他的教科书《广义相对论》被认为是这个领域的经典著作，培养了一代又一代的相对论研究者。

引力研究的未来

黑洞研究看似遥远而抽象，但它与现实生活之间有着深刻的联系。为了揭示黑洞的奥秘，科学家必须处理海量而复杂的观测数据，这直接推动了高性能计算、人工智能算法和精密测量技术的发展，而这些技术早已渗透进医学影像分析、气候预测、金融建模等日常领域。引力波探测等研究还带来了超高精度的激光和震动隔离等技术，这些技术也已被应用于制造业、导航和地震监测之中。

更重要的是，黑洞研究不断挑战人类对时间、空间和因果的传统理解，拓展了科学思维的边界，影响着教育、哲学和科幻创作，并激发公众的科学兴趣与想象力。虽然对黑洞能量的利用或在其附近航行目前仍停留在理论设想阶段，但在探索过程中积累的极端物理条件模拟和新材料研发经验，可能在未来深空探测、能源开发以及极端环境工程中发挥作用。黑洞不仅是宇宙中的神秘天体，更是推动人类科技进步与思维革新的动力源。

这四位科学家的工作，不仅深化了我们对引力和黑洞的理解，更重要的是，他们开辟了新的研究方向。今天，当我们用引力波探测器“聆听”宇宙的交响乐，用事件视界望远镜“拍摄”黑洞的肖像时，我们使用的理论工具，正是建立在他们的工作基础之上。

从克尔的旋转黑洞解到吉本斯的量子引力方法，从霍洛维茨的弦理论应用到沃尔德的数学严谨性，这四位获奖者展示了理论物理研究的不同方面：物理直觉、数学技巧、跨学科视野和严格论证。他们的工作提醒我们，即使在没有实验指导的情况下，纯粹的理论探索也能带来深刻的洞见。

正如黑洞曾经只是方程式中的数学怪物，如今却成为宇宙中最迷人的天体，这四位科学家的理论工作，也许正在为我们打开通向量子引力、宇宙起源乃至多重宇宙的大门。在这个引力波天文学和黑洞成像的新时代，他们的贡献将继续照亮我们探索宇宙最深奥秘密的道路。

一个由薄吸积盘照亮的史瓦西黑洞地平线外的模拟景象

（图片来源：NASA）

出品：科普中国

作者：吴刚（中国科学院深圳先进技术研究院）

审校：吴斌（雪城大学博士后研究员）

监制：中国科普博览