獲得物理諾獎(jiǎng)的霍金老友，還是一位“任性”的跨界奇才

羅杰.彭羅斯因黑洞理論獲得物理諾獎(jiǎng)，霍金如果健在應(yīng)該獲獎(jiǎng)？業(yè)界公認(rèn)彭羅斯的貢獻(xiàn)在霍金之上。來認(rèn)識(shí)這位“任性”的科學(xué)家。

撰文/丁林 新媒體編輯/陳炫之

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了英德美三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)谔祗w物理學(xué)，特別是"利用廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)黑洞形成"以及"發(fā)現(xiàn)銀河中心超大質(zhì)量物體"方面取得的科學(xué)成果。

其中，英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯爵士從理論上推演出黑洞的形成是廣義相對(duì)論原理的必然結(jié)論，因此獲得了今年一半的獎(jiǎng)金。

什么時(shí)候數(shù)學(xué)家也能獲得諾貝爾獎(jiǎng)了？其實(shí)，這位任性的數(shù)學(xué)家的研究成果還"跨界"過生物學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域……

從童年時(shí)代養(yǎng)成的幾何思維

羅杰·彭羅斯出生于20世紀(jì)科學(xué)快速發(fā)展的時(shí)代，他的父親萊昂奈爾·彭羅斯是一位杰出的精神病學(xué)、遺傳學(xué)家， 叔叔則是著名的超現(xiàn)實(shí)主義畫家羅蘭·彭羅斯。羅杰·彭羅斯的大哥是一位理論物理學(xué)家，他的弟弟獲得過10次全國國際象棋冠軍，妹妹則是癌癥遺傳學(xué)教授。

成長于這樣"人才輩出"的家庭，彭羅斯從小就玩起了數(shù)學(xué)，比如和父親組裝多面體玩具。"孩子的玩耍和他的工作，并沒有清晰的界限。"在媒體的采訪中，他如此回憶。

也許是因?yàn)檫@段與眾不同的童年，對(duì)于長大后的彭羅斯來說，數(shù)學(xué)依舊是一種"玩兒"的體驗(yàn)。幾何圖形成了他所有思維過程的一部分，在他寫過的許多書中，深?yuàn)W難懂的理論常伴隨著圖形化的解釋。

△1965年的論文中，彭羅斯解釋物質(zhì)坍縮為奇點(diǎn)的過程（圖片來源于諾獎(jiǎng)委員會(huì)，并非原始論文圖）

羅杰·彭羅斯常與復(fù)雜的空間關(guān)系打交道，他本人也十分欣賞荷蘭畫家埃舍爾的作品。

△埃舍爾代表畫作之一（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

受到這位畫家的啟發(fā)，還在上研究生的彭羅斯，和他的父親合作，創(chuàng)造出了著名的"不可能物體"概念。

△1958年2月的《英國心理學(xué)月刊》上，彭羅斯和父親合作發(fā)表文章，解釋了不可能存在的物體，如"彭羅斯三角"（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

這些不可能物體的每個(gè)細(xì)節(jié)的連接處都看似合理，但整體是不可能存在于現(xiàn)實(shí)中的。從最簡單的"彭羅斯三角"，到它的各種變體如"彭羅斯階梯"，其實(shí)都是視覺上的錯(cuò)覺。

△電影《盜夢(mèng)空間》中出現(xiàn)的彭羅斯階梯（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

埃舍爾的作品，可能還啟發(fā)彭羅斯在上世紀(jì)70年代提出了"沒有縫隙，但從不重復(fù)"的彭羅斯鋪磚圖形，這一圖形今天不僅出現(xiàn)在彭羅斯辦公室外的廣場(chǎng)上，還能解釋一類金屬合金"準(zhǔn)晶體"令人費(fèi)解的原子排列（準(zhǔn)晶體的相關(guān)發(fā)現(xiàn)，還獲得了2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）。

△左側(cè)：埃舍爾畫作；右側(cè)："彭羅斯鋪磚"圖形（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

在埃舍爾的畫作中，一些形狀和線條的扭曲是源于幾何空間背后的坐標(biāo)系發(fā)生改變（正如地球上的大洲被投放到二維的地圖上時(shí)，形狀會(huì)發(fā)生扭曲）。

明白了這一點(diǎn)，對(duì)于理解愛因斯坦的廣義相對(duì)論很有幫助——在愛因斯坦的理論中，時(shí)間和空間構(gòu)成了四維的坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，而質(zhì)量能夠使穿行其中的物體和光線的途徑發(fā)生彎曲。在這種體系中，歐幾里得的幾何原理不再永遠(yuǎn)成立：光線會(huì)因引力而彎曲，空間本身也會(huì)像氣球那樣膨脹。其實(shí)，就連愛因斯坦自己，最初也不相信相對(duì)論所作出的預(yù)測(cè)，因此提出了"宇宙常數(shù)"的概念試圖"圓過去"。

研究黑洞的任性數(shù)學(xué)家

即便相對(duì)論早在1919年就在一次日食中被"引力透鏡"現(xiàn)象驗(yàn)證，但它當(dāng)時(shí)在物理學(xué)界還沒有什么用武之地。畢竟，只有對(duì)于超大質(zhì)量的天體，相對(duì)論的效應(yīng)才大到能夠顯現(xiàn)出來，而牛頓的力學(xué)定律已經(jīng)使用了幾百年，似乎夠用了。

在那個(gè)時(shí)代，對(duì)廣義相對(duì)論的研究更多地落在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，彭羅斯恰好正師從蘇格蘭數(shù)學(xué)家威廉·霍奇學(xué)習(xí)代數(shù)幾何。雖然上世紀(jì)50年代就有人發(fā)現(xiàn)，廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)了一些恒星坍塌之后會(huì)形成無限致密的"奇點(diǎn)"，其引力強(qiáng)大到光線都無法逃脫。但當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家認(rèn)為，這只是數(shù)學(xué)上的一個(gè)錯(cuò)誤而已。

彭羅斯對(duì)于自己的學(xué)術(shù)生涯，并沒有明確的計(jì)劃和方向，他只是跟隨自己的興趣和好奇心。彭羅斯發(fā)表文章，常常不是出于學(xué)術(shù)競(jìng)爭的壓力，而是確實(shí)"有話要說"。涉足當(dāng)時(shí)還在停滯不前的相對(duì)論是個(gè)冒險(xiǎn)的決定，但彭羅斯并沒有因?yàn)闀簳r(shí)看不清方向而選擇放棄。

1959年彭羅斯前往普林斯頓大學(xué)，與著名的物理學(xué)家、"黑洞"一詞的提出者約翰·惠勒合作。彭羅斯的研究展示了：形成黑洞的條件，在宇宙中并沒有之前想象的那么罕見。

1965年 1 月，也就是愛因斯坦去世10年后，彭羅斯證明了黑洞確實(shí)可以形成，并對(duì)黑洞進(jìn)行了詳細(xì)描述。自愛因斯坦以后，彭羅斯的開創(chuàng)性論文被認(rèn)為是對(duì)廣義相對(duì)論最重要的貢獻(xiàn)。

在劍橋大學(xué)的霍金看到了彭羅斯的研究后，與他開展合作。

△電影《萬物理論》劇照。劇中虛構(gòu)了"霍金在劍橋大學(xué)聽彭羅斯講座"的劇情（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

有一次，物理學(xué)家弗雷德·霍伊爾在皇家學(xué)會(huì)進(jìn)行講座時(shí)，已經(jīng)需要拐杖的霍金從觀眾席站起來，直白地指出了霍伊爾的一個(gè)錯(cuò)誤；而同樣發(fā)現(xiàn)異常的彭羅斯則是離開講座檢查結(jié)果。這兩個(gè)人有著不同的性格，但共同的學(xué)術(shù)興趣讓他們走到了一起。

70年代，他們意識(shí)到，"宇宙大爆炸其實(shí)可以看作恒星坍塌為奇點(diǎn)的反向過程。"這一理論將不受歡迎的黑洞概念，和宇宙學(xué)理論聯(lián)系在了一起。他們的成果，就是著名的"彭羅斯-霍金奇點(diǎn)定理"。因?yàn)檫@一成果，他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎(jiǎng)。

△彭羅斯與生前的霍金合影（來源于網(wǎng)絡(luò)）

在獲得沃爾夫獎(jiǎng)的同年，霍金的科普巨著《時(shí)間簡史》發(fā)表，并暢銷全世界。上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授張鵬杰在接受文匯報(bào)記者采訪時(shí)評(píng)價(jià)，"雖然霍金的公眾影響力比他大，但是在業(yè)界公認(rèn)彭羅斯的貢獻(xiàn)在霍金之上。"

但是黑洞的概念，和物理學(xué)中另外一個(gè)基礎(chǔ)理論量子力學(xué)有所矛盾。量子力學(xué)認(rèn)為，宇宙存在最小的單元，不能被無限分割，因此奇點(diǎn)這種"體積無限小"的概念是不成立的。因此，黑洞成了20世紀(jì)兩大物理理論的交鋒之處。

從上世紀(jì)60年代開始，彭羅斯還發(fā)明了"扭量理論"，試圖連接量子力學(xué)和相對(duì)論。

△上世紀(jì)60年代的彭羅斯，黑板上圖形即"扭量"（圖片來源：thetimes.co.uk）

想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的還有"弦論"，但彭羅斯不太支持。他認(rèn)為，量子力學(xué)和相對(duì)論都十分優(yōu)雅，他"難以想象"其中任何一個(gè)不成立。愛因斯坦展示過類似的"腦回路"：曾有記者問他，假如引力透鏡實(shí)驗(yàn)與相對(duì)論矛盾，他會(huì)如何評(píng)價(jià)？愛因斯坦回答，他會(huì)為實(shí)驗(yàn)者感到惋惜，因?yàn)樗睦碚撌菍?duì)的。

在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表驚人理論

彭羅斯對(duì)于量子疊加態(tài)的思索，讓他提出了一個(gè)驚人的理論，即"生物的意識(shí)可能源于量子效應(yīng)"。在出版于1989年的著作《皇帝的新腦》中，彭羅斯和一位麻醉學(xué)家提出，大腦中一種稱為微管的蛋白纖維，可能是攜帶量子振動(dòng)疊加態(tài)的載體。

不過，這一理論的細(xì)節(jié)模糊，在生物學(xué)上也難以讓人信服。這本書的作者如果換了別人，也許很快會(huì)被認(rèn)為是腦子不正常。

彭羅斯如今承認(rèn)他的想法有點(diǎn)瘋狂，但畢竟不是沒有根據(jù)的猜測(cè)。彭羅斯認(rèn)為自己有這些想法，源自他對(duì)宇宙形狀和規(guī)律的直覺，以及對(duì)職業(yè)安全感和科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)的不甚關(guān)心。這位來自愛因斯坦時(shí)代的老數(shù)學(xué)家，常常提出讓年輕學(xué)者大開眼界的理論，但彭羅斯認(rèn)為自己"更傾向于接受傳統(tǒng)智慧"，不太認(rèn)同別人給他貼上"特立獨(dú)行"的標(biāo)簽。

彭羅斯的科學(xué)之路，不僅能帶我們回顧上個(gè)世紀(jì)的科學(xué)黃金時(shí)代，回顧黑洞理論從暗處現(xiàn)身的過程，他對(duì)于今天的科學(xué)家們也是一個(gè)活生生的見證：任性的科學(xué)家也可以成功。

△彭羅斯就職的牛津大學(xué)數(shù)學(xué)院，鋪設(shè)了他在上世紀(jì)70年代提出的"彭羅斯密鋪"圖案——看似有規(guī)律，實(shí)際上從不重復(fù)（來源于網(wǎng)絡(luò)）

參考資料

[1] afr.com/technology/roger-penrose-maths-genius-his-ideas-almost-too-outthere-for-some-scientists-20170220-gugubu

[2] nautil.us/issue/47/consciousness/roger-penrose-on-why-consciousness-does-not-compute

出品：科普中央廚房

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