获得物理诺奖的霍金老友，还是一位“任性”的跨界奇才

罗杰.彭罗斯因黑洞理论获得物理诺奖，霍金如果健在应该获奖？业界公认彭罗斯的贡献在霍金之上。来认识这位“任性”的科学家。

撰文/丁林 新媒体编辑/陈炫之

今年的诺贝尔物理学奖授予了英德美三位科学家，以表彰他们在天体物理学，特别是"利用广义相对论预测黑洞形成"以及"发现银河中心超大质量物体"方面取得的科学成果。

其中，英国数学物理学家罗杰·彭罗斯爵士从理论上推演出黑洞的形成是广义相对论原理的必然结论，因此获得了今年一半的奖金。

什么时候数学家也能获得诺贝尔奖了？其实，这位任性的数学家的研究成果还"跨界"过生物学、化学等领域……

从童年时代养成的几何思维

罗杰·彭罗斯出生于20世纪科学快速发展的时代，他的父亲莱昂奈尔·彭罗斯是一位杰出的精神病学、遗传学家， 叔叔则是著名的超现实主义画家罗兰·彭罗斯。罗杰·彭罗斯的大哥是一位理论物理学家，他的弟弟获得过10次全国国际象棋冠军，妹妹则是癌症遗传学教授。

成长于这样"人才辈出"的家庭，彭罗斯从小就玩起了数学，比如和父亲组装多面体玩具。"孩子的玩耍和他的工作，并没有清晰的界限。"在媒体的采访中，他如此回忆。

也许是因为这段与众不同的童年，对于长大后的彭罗斯来说，数学依旧是一种"玩儿"的体验。几何图形成了他所有思维过程的一部分，在他写过的许多书中，深奥难懂的理论常伴随着图形化的解释。

△1965年的论文中，彭罗斯解释物质坍缩为奇点的过程（图片来源于诺奖委员会，并非原始论文图）

罗杰·彭罗斯常与复杂的空间关系打交道，他本人也十分欣赏荷兰画家埃舍尔的作品。

△埃舍尔代表画作之一（图片来源于网络）

受到这位画家的启发，还在上研究生的彭罗斯，和他的父亲合作，创造出了著名的"不可能物体"概念。

△1958年2月的《英国心理学月刊》上，彭罗斯和父亲合作发表文章，解释了不可能存在的物体，如"彭罗斯三角"（图片来源于网络）

这些不可能物体的每个细节的连接处都看似合理，但整体是不可能存在于现实中的。从最简单的"彭罗斯三角"，到它的各种变体如"彭罗斯阶梯"，其实都是视觉上的错觉。

△电影《盗梦空间》中出现的彭罗斯阶梯（图片来源于网络）

埃舍尔的作品，可能还启发彭罗斯在上世纪70年代提出了"没有缝隙，但从不重复"的彭罗斯铺砖图形，这一图形今天不仅出现在彭罗斯办公室外的广场上，还能解释一类金属合金"准晶体"令人费解的原子排列（准晶体的相关发现，还获得了2011年诺贝尔化学奖）。

△左侧：埃舍尔画作；右侧："彭罗斯铺砖"图形（图片来源于网络）

在埃舍尔的画作中，一些形状和线条的扭曲是源于几何空间背后的坐标系发生改变（正如地球上的大洲被投放到二维的地图上时，形状会发生扭曲）。

明白了这一点，对于理解爱因斯坦的广义相对论很有帮助——在爱因斯坦的理论中，时间和空间构成了四维的坐标网络，而质量能够使穿行其中的物体和光线的途径发生弯曲。在这种体系中，欧几里得的几何原理不再永远成立：光线会因引力而弯曲，空间本身也会像气球那样膨胀。其实，就连爱因斯坦自己，最初也不相信相对论所作出的预测，因此提出了"宇宙常数"的概念试图"圆过去"。

研究黑洞的任性数学家

即便相对论早在1919年就在一次日食中被"引力透镜"现象验证，但它当时在物理学界还没有什么用武之地。毕竟，只有对于超大质量的天体，相对论的效应才大到能够显现出来，而牛顿的力学定律已经使用了几百年，似乎够用了。

在那个时代，对广义相对论的研究更多地落在数学领域，彭罗斯恰好正师从苏格兰数学家威廉·霍奇学习代数几何。虽然上世纪50年代就有人发现，广义相对论预测了一些恒星坍塌之后会形成无限致密的"奇点"，其引力强大到光线都无法逃脱。但当时的物理学家认为，这只是数学上的一个错误而已。

彭罗斯对于自己的学术生涯，并没有明确的计划和方向，他只是跟随自己的兴趣和好奇心。彭罗斯发表文章，常常不是出于学术竞争的压力，而是确实"有话要说"。涉足当时还在停滞不前的相对论是个冒险的决定，但彭罗斯并没有因为暂时看不清方向而选择放弃。

1959年彭罗斯前往普林斯顿大学，与著名的物理学家、"黑洞"一词的提出者约翰·惠勒合作。彭罗斯的研究展示了：形成黑洞的条件，在宇宙中并没有之前想象的那么罕见。

1965年 1 月，也就是爱因斯坦去世10年后，彭罗斯证明了黑洞确实可以形成，并对黑洞进行了详细描述。自爱因斯坦以后，彭罗斯的开创性论文被认为是对广义相对论最重要的贡献。

在剑桥大学的霍金看到了彭罗斯的研究后，与他开展合作。

△电影《万物理论》剧照。剧中虚构了"霍金在剑桥大学听彭罗斯讲座"的剧情（图片来源于网络）

有一次，物理学家弗雷德·霍伊尔在皇家学会进行讲座时，已经需要拐杖的霍金从观众席站起来，直白地指出了霍伊尔的一个错误；而同样发现异常的彭罗斯则是离开讲座检查结果。这两个人有着不同的性格，但共同的学术兴趣让他们走到了一起。

70年代，他们意识到，"宇宙大爆炸其实可以看作恒星坍塌为奇点的反向过程。"这一理论将不受欢迎的黑洞概念，和宇宙学理论联系在了一起。他们的成果，就是著名的"彭罗斯-霍金奇点定理"。因为这一成果，他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。

△彭罗斯与生前的霍金合影（来源于网络）

在获得沃尔夫奖的同年，霍金的科普巨著《时间简史》发表，并畅销全世界。上海交通大学物理与天文学院教授张鹏杰在接受文汇报记者采访时评价，"虽然霍金的公众影响力比他大，但是在业界公认彭罗斯的贡献在霍金之上。"

但是黑洞的概念，和物理学中另外一个基础理论量子力学有所矛盾。量子力学认为，宇宙存在最小的单元，不能被无限分割，因此奇点这种"体积无限小"的概念是不成立的。因此，黑洞成了20世纪两大物理理论的交锋之处。

从上世纪60年代开始，彭罗斯还发明了"扭量理论"，试图连接量子力学和相对论。

△上世纪60年代的彭罗斯，黑板上图形即"扭量"（图片来源：thetimes.co.uk）

想要实现这一目标的还有"弦论"，但彭罗斯不太支持。他认为，量子力学和相对论都十分优雅，他"难以想象"其中任何一个不成立。爱因斯坦展示过类似的"脑回路"：曾有记者问他，假如引力透镜实验与相对论矛盾，他会如何评价？爱因斯坦回答，他会为实验者感到惋惜，因为他的理论是对的。

在神经科学领域发表惊人理论

彭罗斯对于量子叠加态的思索，让他提出了一个惊人的理论，即"生物的意识可能源于量子效应"。在出版于1989年的著作《皇帝的新脑》中，彭罗斯和一位麻醉学家提出，大脑中一种称为微管的蛋白纤维，可能是携带量子振动叠加态的载体。

不过，这一理论的细节模糊，在生物学上也难以让人信服。这本书的作者如果换了别人，也许很快会被认为是脑子不正常。

彭罗斯如今承认他的想法有点疯狂，但毕竟不是没有根据的猜测。彭罗斯认为自己有这些想法，源自他对宇宙形状和规律的直觉，以及对职业安全感和科学奖项的不甚关心。这位来自爱因斯坦时代的老数学家，常常提出让年轻学者大开眼界的理论，但彭罗斯认为自己"更倾向于接受传统智慧"，不太认同别人给他贴上"特立独行"的标签。

彭罗斯的科学之路，不仅能带我们回顾上个世纪的科学黄金时代，回顾黑洞理论从暗处现身的过程，他对于今天的科学家们也是一个活生生的见证：任性的科学家也可以成功。

△彭罗斯就职的牛津大学数学院，铺设了他在上世纪70年代提出的"彭罗斯密铺"图案——看似有规律，实际上从不重复（来源于网络）

参考资料

[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

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