诺贝尔物理学奖与罗杰·彭罗斯的灵感:一瞬间的沉默如何解决了黑洞内部的奇怪数学问题


罗杰·彭罗斯因其在奇点方面的研究而被授予诺贝尔物理学奖。

1964年9月的一天,天气晴朗,罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)的一位老朋友来拜访他。此前在德克萨斯州的达拉斯生活和工作的英国宇宙学家艾弗·罗宾逊(Ivor Robinson)回到了英国。这两人每次见面都不缺话谈,而且这次谈话没完没了,范围很广。


他们走到彭罗斯在伦敦伯克贝克学院(Birkbeck College)的办公室附近,在路边稍作停留,等待繁忙的交通停一停。此时的停顿让对话也稍作喘息,他们过马路时陷入沉默。


在那一刻,彭罗斯的思绪飘忽了。它穿过了25亿光年的真空外层空间,到达了一个沸腾的旋转类星体。他想象着引力坍缩是如何掌控,将整个星系拉向更深处、更靠近中心的地方。就像一个旋转的花样滑冰运动员把手臂拉向身体,这个物体在收缩过程中旋转得越来越快。


这短暂的灵光一闪给了他一个启示——56年后,这个启示让他获得了诺贝尔物理学奖。


像许多相对论学家一样,理论物理学家致力于测试、探索和扩展爱因斯坦的广义相对论。彭罗斯在20世纪60年代早期研究一个奇怪但特别棘手的矛盾,被称为“奇点问题”。


爱因斯坦于1915年发表了《通论》(General Theory),彻底改变了科学家对空间、时间、引力、物质和能量的理解。到20世纪50年代,爱因斯坦的理论获得了广泛成功,但它的许多预测仍然被认为不可能,不可检验。例如,他的方程式表明,从理论上讲,引力坍缩可以迫使足够多的物质进入一个足够小的区域,从而变得无限稠密,形成一个连光都无法逃脱的“奇点”(singularity)。这些点被称为黑洞。


但在这样一个奇点里,已知的物理定律将不再适用,包括预言它存在的爱因斯坦自己的相对论。


正是出于这个原因,奇点对数学相对论家来说非常吸引人。不过,大多数物理学家一致认为,我们的宇宙太过有序,实际上不可能包含这些区域。即使奇点确实存在,也没有办法观察到它们。


彭罗斯说:“在很长一段时间里,人们都持强烈的怀疑态度。”“人们认为会出现弹跳:一个物体会解体,以某种复杂的方式旋转,然后嗖嗖地飞回来。”



黑洞中心的奇点能产生强烈的热量,令辐射超级明亮,向四面八方喷射。

20世纪50年代末,射电天文学这一新兴领域的观察结果令这些观点陷入混乱。射电天文学家发现了新的宇宙物体,看起来非常明亮,非常遥远,非常小。最初被称为“类恒星物体”,后来简称为“类星体”。这些物体似乎在太小的空间里发挥了太多能量。虽然看似不可能,但每一个新的观察结果都指向说明这样一种观点,即类星体是正在坍缩为奇点的古老星系。


科学家们被迫自问,奇点是否像每个人想象的那样不可能出现?相对论的预言难道不只是数学上的异想天开吗?


在奥斯汀、普林斯顿和莫斯科,在剑桥和牛津,在南非、新西兰、印度和其他地方,宇宙学家、天文学家和数学家都在努力寻找一个可以解释类星体本质的决定性理论。


大多数科学家通过尝试识别高度专门化的环境来应对这一挑战,奇点可能在这种环境下形成。

彭罗斯当时在伦敦伯克贝克学院读书,他采取了不同的方法。他的本能一直是寻找一般的解决方案,潜在的原理和基本的数学结构。他在伯克贝克时,花了很长时间在一块巨大的黑板上工作,黑板上布满了他自己设计的曲线和扭曲的图表。


1963年,以艾萨克·卡拉特尼科夫(Isaac Khalatnikov)为首的一个俄罗斯理论家小组发表了一篇备受赞誉的论文,证实了大多数科学家仍然相信的东西,即奇点不是我们物质宇宙的一部分。他们说,在宇宙中,坍塌的尘埃云或恒星确实会在到达奇点之前再次膨胀。类星体肯定有其他的解释。


彭罗斯对此持怀疑态度。


他说:“我有一种强烈的感觉,他们使用的方法不太可能得出确切的结论。”“在我看来,这个问题需要以一种比他们现在所做的更普遍的方式来看待,这在某种程度上是一个有限的焦点。”


然而,尽管彭罗斯拒绝相信他们的论点,他仍然不能为奇点问题找到通用的解决方案。那是在罗宾逊来访之前。罗宾逊也在研究奇点问题,但两人于1964年秋天在伦敦的谈话并没有讨论这个问题。


然而,在那个十字路口短暂的寂静中,彭罗斯意识到俄国人错了。


所有这些能量、运动和质量收缩在一起会产生强烈的热量,令辐射会向各个方向的波长爆发出来。它的体积越小,速度就越快,发出的光就越亮。


他在脑海中把黑板上的图画和日记里的素描映射在那个遥远的物体上,在脑海中寻找俄罗斯人预测的点,这片云会在哪里再次爆炸。


这样的点是不存在的。在脑海里,彭罗斯终于看到了解体将如何畅通无阻地继续下去。在密度越来越大的中心之外,这个天体发出的光比银河系中所有恒星发出的光都要多。而在内心深处,光线会以戏剧性的角度弯曲,在时空中扭曲,直到每个方向都互相聚合。


会有一个无法回头的点。光、空间和时间将全部停止。一个黑洞。


在那一刻,彭罗斯知道奇点不需要任何特殊的环境。在宇宙中,奇点的存在并非不可能。他们是不可避免的。


20世纪70年代,斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯一起创立了奇点理论。

回到街的另一边,他继续和鲁宾逊谈话,很快忘记了他在想的事。他们告别后,彭罗斯回到了办公室里的粉笔沫和成堆的纸张中。


下午剩下的时间和往常一样,只不过,彭罗斯发现自己心情异常好。他想不出为什么。他开始回顾这一天,寻找是什么让他如此兴奋。


他的思绪又回到了过马路时,那一刻的寂静。那一切都像洪水一样涌了回来。他已经解决了奇点问题。


他开始写下方程式,测试、编辑、重新排列。争论仍然很激烈,但都有效果。引力坍缩只需要一些非常普遍的、容易满足的能量条件,就可以坍缩成无限密度。彭罗斯知道,在那一刻,宇宙中肯定有数十亿个奇点。


这个想法将颠覆人类对宇宙的理解,并塑造我们今天对宇宙的认识。


不到两个月,彭罗斯就开始就这个定理发表演说。12月中旬,他向学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)提交了一篇论文。这篇论文发表于1965年1月18日,仅仅在他和鲁宾逊过马路的四个月后。


结果并不完全如他所愿。彭罗斯奇点定理遭遇了辩驳。


同年晚些时候,在伦敦举行的广义相对论和重力国际大会上,这场辩论达到了高潮。


“不是很友好。俄国人很恼火,不愿意承认他们错了。”彭罗斯说。会议以争论未解决而结束。

但不久之后,俄罗斯的论文出现了计算错误——数学存在致命缺陷,他们的论点不再站得住脚。


在距离太阳系26000光年的银河系中心,有一个超大的黑洞。

彭罗斯说:“他们做这件事的方式有错误。”


到1965年底,彭罗斯奇点定理在世界范围内引起了广泛关注。他那独特的洞察力成为宇宙学的推动力。他不仅解释了类星体是什么,还揭示了宇宙潜在现实的重要真相。从那时起,人们提出的任何宇宙模型都必须包括奇点,这意味着包括超越相对论的科学。


奇点也开始渗入到公众意识中,部分原因是,奇点被称为“黑洞”,这是美国科学记者安·尤因(Ann Ewing)首次公开使用的术语。


斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)与彭罗斯一起研究奇点后,以彭罗斯定理颠覆了有关宇宙起源的理论。奇点成为所有关于宇宙的自然、历史和未来理论的中心。实验人员确认了其他奇点,包括位于星系中心的超大黑洞中心,由莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·盖斯(Andrea Ghez)发现,他们与彭罗斯共同获得了今年的诺贝尔物理学奖。


彭罗斯继续发展出一种可替代大爆炸理论的理论,即保形循环宇宙论(Conformal Cyclic Cosmology),其证据可能来自远古黑洞的残余信号。


2013年,工程师兼计算机科学家凯蒂·布曼(Katie Bouman)领导的研究小组开发出一种算法,他们希望对黑洞进行拍照。2019年4月,视界望远镜利用该算法捕捉到了第一张黑洞图像,用生动的视觉证实了爱因斯坦和彭罗斯曾经有争议的理论。


现年89岁的彭罗斯很高兴被授予物理学的最高荣誉——诺贝尔奖,但他心里还有其他事情。

“感觉很奇怪。我一直在努力调整自己。这是莫大的荣幸和感激,”他在得知消息几小时后告诉我。“但另一方面,我试图同时写出三篇不同的(科学)文章,这比以前更难。”他解释说。电话一直响个不停,人们祝贺他,记者要求采访他。所有这些喧嚣让他无法专注于自己的最新理论。


彭罗斯比任何人都了解沉默的力量和它所能带来的灵光。


来源:BBC中文网

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