張雙南
天體物理學家
今后的幾年里面，我領導的團隊會在我們國家空間站上面放上非常大型的設備，以后我們看空間站就會不同了。當然我們特別希望能夠找到原有的理論，特別是廣義相對論理論哪里不對，這樣我開頭講的這個非常奇葩的理論就變得正常了。
仰望星空
繼續證偽
2025.05.25 上海 | 一席少年
大家好，我是張雙南，像剛才那個視頻上所講的，我是研究黑洞的人，當然廣義地講算是天文學家。
今天我給大家帶來的這個報告叫《仰望星空，繼續證偽》。證偽這兩個詞其實是很奇怪的，大家不會很熟悉，今天主要就是要講這個的。
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奇葩的廣義相對論
首先我們講一下奇葩的廣義相對論，這件事情和證偽這兩個字非常有關系。為什么說是奇葩的廣義相對論呢？
愛因斯坦在1915年提出了廣義相對論理論，但是這個理論從他提出到今天，110年沒有被發現錯誤。很多人想找到的它的錯誤，包括我，都還沒有找到，因此這個理論從它提出到今天，沒有被改進，也沒有被超越，至今我們還沒有一個比廣義相對論理論更好的科學理論。
那這就很奇葩嗎？
很奇葩！
我們知道科學總是在不斷進步的，你提出一個理論，就會有人發現這個理論有什么問題，然后就會改進，就會有新的理論。
量子力學也是100多年前提出來的，今天的量子力學和當時提出來的時候很不一樣。 但是我們今天在教科書里面學的廣義相對論，還是愛因斯坦當年提出來的那個廣義相對論，這是它很奇葩的地 方。
不僅僅這個理論是這樣，而且根據這個理論，可以推論應該有些什么事情，包括愛因斯坦本人都作出了很多預言，這些預言到今天都怎么樣了呢？
這些預言包括黑洞，包括光線在引力場會拐彎——引力偏折，包括在引力場里面光線的顏色會改變——叫引力紅移，也包括會有引力波，也包括宇宙的膨脹。
我們可以看到，在這100多年里面，這些預言不斷被提出來，又不斷的被科學研究所證實。在這個過程當中很多人獲了諾獎（但是這一堆獲得諾獎的人里面不包括愛因斯坦）。
這些預言都得到了觀測和實驗的檢驗，至今為止我們還沒有發現一個反例，這是很奇葩的一件事情。
所以我說廣義相對論是很奇葩的理論。 雖然愛因斯坦在他一生當中犯了很多錯誤，也包括科學研究的錯誤，然而他的這個理論貌似并沒有犯錯。
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是不是黑洞？
其中和愛因斯坦的廣義相對論非常有關系的一個諾獎，就是2020年的物理學諾獎。這一次的諾獎勵給了兩組科學家，其中一組是一位科學家，就是畫面上這位老先生，羅杰·彭羅斯，1931年出生，2020年獲得諾獎，89歲獲得諾獎。
他因為什么獲得諾獎？因為他對廣義相對論作了研究，根據廣義相對論理論預言了黑洞一定存在。
另外一組科學家是兩位年輕一些的科學家，因為他們發現銀河系中心的那個家伙的性質和彭羅斯的理論預言的是一樣，因為這個發現檢驗了彭羅斯的理論，所以他們一起獲得了諾獎。
但是大家看到在屏幕上白的非常大的那幾個字—— 超大質量致密物體 。
因此當我們說2020年的諾獎的時候，我們通常會說預言黑洞和發現黑洞獲得了2020年的諾貝爾物理學獎，然而發現了這塊我給放個問號，為什么呢？因為諾獎委員會用的是發現了超大質量致密物體，沒有說發現了黑洞。
這就變得很有意思了！
那天晚上，我在一個很小的餐館里面和朋友吃飯喝酒，喝的是啤酒，還沒有喝暈，然后這個諾獎宣布了，很多媒體朋友給我打電話，說：
“張老師，很奇怪，為什么前面說預言了黑洞，后面說驗證了這個預言，然而不說發現了黑洞，說發現了超大質量致密物體？為什么諾獎委員會會這么說？ 難道銀河系中心他們發現的那個家伙不是黑洞嗎？ ”
這個圖片上大家可以看到，銀河系中心的那個家伙周圍有一個恒星，它離這個黑洞非常的近，這是我們今天知道的離黑洞最近的一個恒星。
當那兩個科學家率領的團隊精確地測量了這個恒星繞著銀河系中心的軌道之后，就計算出了那個家伙的質量，是400萬倍的太陽的質量，并且它在一個很小的空間里面。根據廣義相對論理論，我們覺得它就應該是有黑洞了。
不僅如此，后面又拍了照片，中間顯然是黑的，黑乎乎的一個洞。所以在我們看來那個家伙怎么看來它也是個黑洞。
因此這就是我們知道的最可靠的解釋，那就是黑洞，所以我們干脆就說它是黑洞。包括那兩個團隊寫的論文，直接就說那個家伙就是黑洞。
我也寫過關于那個家伙的論文，在論文里面也直接說那個家伙是個黑洞。
然而為什么諾獎委員會只說他們發現了一個致密物體，而沒有說他們發現了黑洞呢？
我覺得媒體的朋友們問了一個非常高級、非常深刻的問題，有幾個可能性:
到底哪個答案是對的，我們先不給答案，等會再說。
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牛頓很牛，他的理論一定正確？
愛因斯坦不同意
為了要回答這個問題，我要從牛頓講起。牛頓在1687年發表了一本著作，叫做《自然哲學的數學原理》。他在這本書里面做了什么事情呢，他提出了三個定律，我們今天叫做牛一、牛二、牛三，然后再加上萬有引力定律，它作為四個公理在里面。然后再利用他發明的微積分，就推導出來了開普勒三定律。
(完整推導過程請看演講視頻）
所以這是人類歷史上第一次從一個更底層的科學理論，推導出來了已經知道的一件事情，非常了不得。因為開普勒定律老早就知道了，然后牛頓給它推導出來了，所以了不得，解釋了當時已有的所有的觀測數據、科學數據，而且理解了已有的規律，比如說開普勒定律。
更牛的是，準確地預言了新的現象。當然這不是牛頓做的，是后來的科學家利用牛頓的理論做的。
那問題就來了，這就證明了牛頓的理論是正確的科學理論了嗎？
很多人認為是這樣，牛頓1687年發表了他的這本著作，從此之后這就成了科學界的標準的物理學理論，物理學理論就基于牛頓的理論了。
愛因斯坦表示不同意，怎么 能說它就是絕對正確的呢？一定 有點什么問題。
愛因斯坦對牛頓引力理論有不同的認識，他發現理論上面這個理論是有問題的。
比如說按照引力理論，引力正比于距離的平方，張老師一揮手，張老師的手和宇宙當中的所有天體之間的距離瞬時都發生了變化，宇宙當中所有的天體都要立刻說張老師好。
愛因斯坦老師表示不同意，張老師沒有那么厲害。
因為根據愛因斯坦的狹義相對論理論，任何信息的傳遞速度是不能夠超過光速的，瞬時就發生這件事情是不允許的，所以違反愛因斯坦的狹義相對論理論。也就是說，引力正比于距離的平方這件事情違反狹義相對論理論，所以這個不是引力的本質。
理論上面有問題，現實當中也有問題。
當時已經知道，太陽系內有一個天體叫做水星，它繞著太陽運動，在它橢圓軌道里面有一個點距離太陽是最近的，叫做水星近日點。這一點在天上是移動的，它會進動，這個進動的速度和牛頓理論的預言明顯不一致。
這表明牛頓理論用到水星近日點的進動，這個地方的時候出問題了。所以這個理論有個適用范圍，換句話說這個理論不是完美的。
理論 上面存在的問題，實際當中也存在問題， 于是愛因斯坦在1915年就提出了廣義相對論理論。
所以我們做科學研究要提出問題，然后再解決問題。 愛因斯坦老師說過，提出一個問題比解決n個問題都重要。 所以他提出了牛頓理論的問題，然后提出了廣義相對論理論，解決了這個問題。
廣義相對論在理論上解釋得更好。它認為之所以有引力，并不是因為這兩個天體之間，并不是因為張老師和在座的朋友們之間拴了一條繩子叫做引力這個東西，而是由于張老師的肚子太大，或者說重量太大，導致空間有了彎曲，所以張老師在動的時候，大家感受到了張老師引起的空間彎曲的變化，這就是引力。
所以引力實際上就是質量導致的空間的時空彎曲，而彎曲的時空決定了一切物質的運動，也包括光線，所以光線在引力場里面就要拐彎。
雖然說理論上解釋很好，但是理論上解釋得好并不足以證明該理論是正確的，還要看觀測上面。
觀測上面也有進步，我前面講了廣義相對論理論預言了各種各樣的現象都逐漸被證實了，總的來講牛頓的理論能夠解釋和應用的地方，廣義相對論都行。牛頓的理論不能解釋的地方，廣義相對論也行。所以逐漸通過實證讓大家接受了這個理論。
我前面講了，引力的本質就是導致空間扭曲了，這樣光線在扭曲的空間里面不走直線，所以在這種情況之下遠處的天體發出的光線，經過太陽附近的時候要拐個彎，所以我們看起來在這個時候天體好像從另外一個方向來的。
所以愛因斯坦做了這個預言，光線應該有偏折，如果觀測到的話，就能夠區分他的理論和牛頓的理論。
當然大白天也沒法干這個事，因為太陽太亮了，但是日全食的時候可以干這個事，1919年，英國天文學家愛丁頓就在日全食的時候做了觀測，觀測的結果和愛因斯坦的理論預言是一致的。
當時大家就非常的興奮，愛因斯坦提出這個理論之后不久，我們知道就進入了一次世界大戰，愛因斯坦的理論比牛頓的理論更好，所以大家就說，德國人的理論推翻了英國人的理論。
愛丁頓又是英國天文學家，這是一次大戰剛結束，英國人又證實了德國人的理論（證實了愛因斯坦的理論），所以又為世界和平做出了貢獻。
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廣義相對論就是正確的
科學理論嗎？
然而這就證明了廣義相對論是正確的科學理論了嗎？它做了一個預言，觀測結果也是一致的，就證明了嗎？
我在去年的時候寫了一篇文章，這篇文章題目是《從天文學和物理學的發展理解科學方法的3次飛躍》。在這個文章的前面介紹我的時候，說我領導了幾個空間天文的項目，是這幾個項目的首席科學家。
我領導團隊研制這些儀器的目的是干什么的呢？很多人認為是為了證明科學理論的重要，證明某些科學理論是正確的。 然而，我們的主要的目的，就是要試圖證明廣義相對論是錯誤的。
講到這個地方，我們的背景知識就講完了。下面給大家這個結論，到底為什么會發生這樣的事情。
首先我們要回顧一下什么是科學，第一次花比較長的時間講這一件事情就是在一席，這個演講據說喜歡的人很多，反對的也很多，總而言之看的人非常多。
我在那個演講里面講什么是科學，我說科學就是刨根問底，科學有目的、精神和方法。在這個表里面大家可以看到科學三要素的具體的表達。
科學的目的就是發現各種規律，科學的精神質疑獨立唯一，科學的方法邏輯化、定量化和實證化。
我們要想回答為什么諾獎委員會不說那個家伙是黑洞，這涉及到科學的方法，尤其是實證化這一塊，尤其是最開始我講的那兩個字—— 證偽 。
所以我今天花最后的幾分鐘給大家講這件事情。這要涉及到科學方法的三次飛躍。這三次飛躍是我從上一次在一席講完之后8年以來體會到的，所以我今天給大家作一下分享。
希臘科學，我上次花了主要的時間講的希臘科學，我把它總結成為從形而上學到實在精確的科學。
科學革命，我把它總結成為從觀察思辨的科學到實驗科學。
今天后面這幾分鐘向大家要介紹的是現代科學，現代科學我說是從證實的科學到證偽的科學，而證偽是其中的關鍵。這就是科學方法實證化里面的兩個部分，證實和證偽構成了它的實證化。
實證的原則是誰提出來的呢，是波普爾提出來的。他是一個科學哲學家，他認為科學理論必須要具有可證偽性。
首先他的觀點是，科學理論不能被證明是永遠絕 對正確的。 這個非常的反直覺，實際上他的原話是，科學理論不能被證明是正確的，永遠絕對是我加上的。
我們通常都說我們做科學研究、做實驗、做觀測，是為了證明某個理論是正確的，證明了就在頂刊上面發一篇論文，就會獲得巨大的榮譽。
然而波普爾的意思是說不能，但是科學理論可以被證偽，可以被證偽是說這個科學理論做一個預言，然后我們可以檢驗這個預言是對的還是錯的。
當然檢驗的結果有兩個。一個是它的預言和觀測的實驗結果是一致的，就是被證實了，但是不管你證實多少次，你永遠不能夠窮盡。你可以做一次預言被證實了，做兩次預言被證實了，什么時候是個頭，永遠不可能做完。因此你永遠不能通過這種辦法來證明科學理論是正確的。
但是可能你的實驗的結果和預言不一致，這就好了。以前我們覺得不一致豈不是不好，是不是我實驗做錯了？
比如剛才小白老師說要在那一堆石頭里面找糖，結果找到一塊鹽，不是很糟糕嗎？本來理論預言了該有一塊糖的，結果找了一塊鹽巴出來。
這就好了！好在哪里呢？說明這個理論在這個地方失效了、有問題了，那我就可以改進理論了，甚至可以提出一個新的理論。
愛因斯坦就是這么做的，愛因斯坦找到了牛頓的理論在哪失效了，然后他就在那個地方改進了，所以我們就有了新的理論。這是波普爾指出來的科學理論的發展應該是這樣子的。
因此他說不可能被證偽的理論或者學說就不是科學理論，當然可以是很好的學問，可以自圓其說，可以讓大家聽得非常的開心，讓我們生活非常的愉快，然而它不是科學理論。
比如《易經》、陰陽五行，這些學說也很好，我從來沒有說過他們不好，他們非常好，貌似可以解釋一切，讓你聽起來非常開心，然而不能做出任何可以被檢驗的預言。
無所不能，然而不可證偽，這種學說我們就說雖然很妙很好很英明很偉大，然而不是科學理論。
波普爾晚年曾經回憶，他說他有了這么一個思想，主要是受到愛因斯坦的啟發，就是我前面講的預言光線偏折，然后愛丁頓做觀測來證實，波普爾是受到了這件事情的啟發。
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證偽是科學精神的體現
回到2020年的諾貝爾物理學獎，很多觀測結果和彭羅斯黑洞理論的預言是一致的，證實了彭羅斯的理論，因此彭羅斯應該獲得諾獎，沒有問題，而且人家的理論就說的預言的黑洞，證實了這個理論。
因此我們銀河系中心那個家伙，當然還有很多其他的天體，包括開場視頻說我發現的那個天體，我發現了之后就直接說那家伙是黑洞，因為和彭羅斯預言的這個家伙太像了，也找不出來別的辦法來說它是別的東西，我們信心爆棚，我們就直接說那家伙是黑洞。
但是根據波普爾的觀點，你永遠不能證明那家伙就是理論上的黑洞。 未來的觀測完全有可能找到它和那個理論不一致的地方，因此把那家伙稱為超大質量致密物體就沒有任何毛病。
證偽更加有意義，如果能夠證偽的話，比如說我們如果有證據表明銀河系中心那個家伙，或者說我發現的那個家伙不是理論上的黑洞，和理論上預言的黑洞不一樣，如果我們找到哪怕很細微的差別，那意義就更大了。
意義大在哪？就有可能改進廣義相對論了。
我前面講廣義相對論是個非常奇葩的理論，至今為止我們沒有找到和這個理論不一致的任何東西。終于找到了，那豈不是非常的厲害。如果我們能夠做到這樣的事情，有更多的諾獎在招手。
也因為這個原因，我們在研制大型的望遠鏡，我后面領導的團隊有幾個實驗，分別在2027年、2028年、2030年的時候會發射，我們的一個主要的目的就是希望能夠找到和廣義相對論理論預言不一致的地方，那這樣廣義相對論理論就能夠被我們突破，我們就能夠有新的科學理論了。
所以我們做證偽本質上就是做科學批判， 做科學批判的目的就是我們把質疑體現在行動上，我們質疑廣義相對論理論但體現在行動上，找它的錯誤，這就是科學精神的完美體現。
因此回到之前說的，諾獎委員會之所以不說那個家伙是黑洞，不是我們列出的那些原因，而是因為諾獎委員會是波普爾主義者。
最后說一下對科學理論進行證實和證偽的普遍意義，作為我們今天演講的總結。
證實，就是驗證科學理論在哪些地方成立，一旦成立了我們就知道在這個地方可以用來做應用了，這個理論在這是成立的，可以實現技術進步了，這是證實的意義。
所以證實可以推動技術的進步，讓我們造出更多的好的技術。我們今天所有的技術的來源基本上都是通過這個途徑得到的。
證偽就是發現科學理論在哪些地方不成立，找到理論的邊界，找到理論的邊界我們就可以改進理論，甚至發展出新的理論。如果找不到原有理論的邊界，你沒有辦法去突破這個理論，因此證偽是科學發展的主要途徑。
所以一個是技術進步的主要基礎，一個是科學發展的主要作用，兩者都很重要。但是因為我不是做技術的，我是做科學研究的，所以在我的研究當中證偽是更加重要的。
最后給大家看一張圖，這張圖是我們國家近20年來研制的各種仰望星空的大型的設備。這些設備都是用來干什么的？
當然大家說做科學發現的，發現什么，發現已有的理論哪個地方不對，這樣我們就會有新的理論了，因此我們仰望星空就是要繼續證偽各種理論。所以我們有天眼、有慧眼——慧眼是我的團隊研制的，我們還有后續的任務，還有墨子號、悟空號、嫦娥、祝融空間站等等。
今后的幾年里面，我領導的團隊會在我們國家空間站上面放上非常大型的設備，以后我們看空間站就會不同了。當然我們特別希望能夠找到原有的理論，特別是廣義相對論理論哪里不對，這樣我開頭講的這個非常奇葩的理論就變得正常了。
我今天給大家的分享就到這里，謝謝大家。
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一席少年（YiXi Youth）是一席的子品牌，致力于為青少年、家長和教育工作者提供涵蓋人文、藝術、科技、哲學、博物、心理、教育等多領域內容，以跨學科視角拓展認知邊界，重塑教育的可能。
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