諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與羅杰·彭羅斯的靈感：一瞬間的沉默如何解決了黑洞內(nèi)部的奇怪?jǐn)?shù)學(xué)問(wèn)題

帕琴·巴爾斯

20 世紀(jì)70 年代，斯蒂芬·霍金和羅杰·彭羅斯一起創(chuàng)立了奇點(diǎn)理論。羅杰·彭羅斯因其在奇點(diǎn)方面的研究而被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

黑洞中心的奇點(diǎn)能產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱量，令輻射超級(jí)明亮，向四面八方噴射

1964年9月的一天，天氣晴朗，羅杰·彭羅斯的一位老朋友來(lái)拜訪他。此前在得克薩斯州的達(dá)拉斯生活和工作的英國(guó)宇宙學(xué)家艾弗·羅賓遜回到了英國(guó)。這兩人每次見(jiàn)面都不缺話談，而且這次談話沒(méi)完沒(méi)了，范圍很廣。

他們走到彭羅斯在倫敦伯克貝克學(xué)院的辦公室附近，在路邊稍作停留，等待繁忙的交通停一停。此時(shí)的停頓讓對(duì)話也稍作喘息，他們過(guò)馬路時(shí)陷入沉默。

在那一刻，彭羅斯的思緒飄忽了。它穿過(guò)了25億光年的真空外層空間，到達(dá)了一個(gè)沸騰的旋轉(zhuǎn)類星體。他想象著引力坍縮是如何掌控，將整個(gè)星系拉向更深處、更靠近中心的地方。就像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員把手臂拉向身體，這個(gè)物體在收縮過(guò)程中旋轉(zhuǎn)得越來(lái)越快。

這短暫的靈光一閃給了他一個(gè)啟示——56年后，這個(gè)啟示讓他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。像許多相對(duì)論學(xué)家一樣，理論物理學(xué)家致力于測(cè)試、探索和擴(kuò)展愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。彭羅斯在20世紀(jì)60年代早期研究一個(gè)奇怪但特別棘手的矛盾，被稱為“奇點(diǎn)問(wèn)題”。

愛(ài)因斯坦于1915年發(fā)表了《通論》，徹底改變了科學(xué)家對(duì)空間、時(shí)間、引力、物質(zhì)和能量的理解。到20世紀(jì)50年代，愛(ài)因斯坦的理論獲得了廣泛成功，但它的許多預(yù)測(cè)仍然被認(rèn)為不可能，不可檢驗(yàn)。例如，他的方程式表明，從理論上講，引力坍縮可以迫使足夠多的物質(zhì)進(jìn)入一個(gè)足夠小的區(qū)域，從而變得無(wú)限稠密，形成一個(gè)連光都無(wú)法逃脫的“奇點(diǎn)”。這些點(diǎn)被稱為黑洞。

但在這樣一個(gè)奇點(diǎn)里，已知的物理定律將不再適用，包括預(yù)言它存在的愛(ài)因斯坦自己的相對(duì)論。正是出于這個(gè)原因，奇點(diǎn)對(duì)數(shù)學(xué)相對(duì)論家來(lái)說(shuō)非常吸引人。不過(guò)，大多數(shù)物理學(xué)家一致認(rèn)為，我們的宇宙太過(guò)有序，實(shí)際上不可能包含這些區(qū)域。即使奇點(diǎn)確實(shí)存在，也沒(méi)有辦法觀察到它們。

彭羅斯說(shuō)：“在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人們都持強(qiáng)烈的懷疑態(tài)度?！薄叭藗冋J(rèn)為會(huì)出現(xiàn)彈跳：一個(gè)物體會(huì)解體，以某種復(fù)雜的方式旋轉(zhuǎn)，然后嗖嗖地飛回來(lái)?！?0世紀(jì)50年代末，射電天文學(xué)這一新興領(lǐng)域的觀察結(jié)果令這些觀點(diǎn)陷入混亂。射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了新的宇宙物體，看起來(lái)非常明亮，非常遙遠(yuǎn)，非常小。最初被稱為“類恒星物體”，后來(lái)簡(jiǎn)稱為“類星體”。這些物體似乎在太小的空間里發(fā)揮了太多能量。雖然看似不可能，但每一個(gè)新的觀察結(jié)果都指向說(shuō)明這樣一種觀點(diǎn)，即類星體是正在坍縮為奇點(diǎn)的古老星系。

在距離太陽(yáng)系2.6萬(wàn)光年的銀河系中心，有一個(gè)超大的黑洞

科學(xué)家們被迫自問(wèn)，奇點(diǎn)是否像每個(gè)人想象的那樣不可能出現(xiàn)？相對(duì)論的預(yù)言難道不只是數(shù)學(xué)上的異想天開(kāi)嗎？在奧斯汀、普林斯頓和莫斯科，在劍橋和牛津，在南非、新西蘭、印度和其他地方，宇宙學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家都在努力尋找一個(gè)可以解釋類星體本質(zhì)的決定性理論。

大多數(shù)科學(xué)家通過(guò)嘗試識(shí)別高度專門化的環(huán)境來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，奇點(diǎn)可能在這種環(huán)境下形成。彭羅斯當(dāng)時(shí)在倫敦伯克貝克學(xué)院讀書(shū)，他采取了不同的方法。他的本能一直是尋找一般的解決方案，潛在的原理和基本的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。他在伯克貝克時(shí)，花了很長(zhǎng)時(shí)間在一塊巨大的黑板上工作，黑板上布滿了他自己設(shè)計(jì)的曲線和扭曲的圖表。

1963年，以艾薩克·卡拉特尼科夫?yàn)槭椎囊粋€(gè)俄羅斯理論家小組發(fā)表了一篇備受贊譽(yù)的論文，證實(shí)了大多數(shù)科學(xué)家仍然相信的東西，即奇點(diǎn)不是我們物質(zhì)宇宙的一部分。他們說(shuō)，在宇宙中，坍塌的塵埃云或恒星確實(shí)會(huì)在到達(dá)奇點(diǎn)之前再次膨脹。類星體肯定有其他的解釋。

彭羅斯對(duì)此持懷疑態(tài)度。他說(shuō)：“我有一種強(qiáng)烈的感覺(jué)，他們使用的方法不太可能得出確切的結(jié)論?！薄霸谖铱磥?lái)，這個(gè)問(wèn)題需要以一種比他們現(xiàn)在所做的更普遍的方式來(lái)看待，這在某種程度上是一個(gè)有限的焦點(diǎn)?！比欢?，盡管彭羅斯拒絕相信他們的論點(diǎn)，他仍然不能為奇點(diǎn)問(wèn)題找到通用的解決方案。那是在羅賓遜來(lái)訪之前。羅賓遜也在研究奇點(diǎn)問(wèn)題，但兩人于1964年秋天在倫敦的談話并沒(méi)有討論這個(gè)問(wèn)題。

然而，在那個(gè)十字路口短暫的寂靜中，彭羅斯意識(shí)到俄國(guó)人錯(cuò)了。所有這些能量、運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量收縮在一起會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱量，令輻射會(huì)向各個(gè)方向的波長(zhǎng)爆發(fā)出來(lái)。它的體積越小，速度就越快，發(fā)出的光就越亮。他在腦海中把黑板上的圖畫(huà)和日記里的素描映射在那個(gè)遙遠(yuǎn)的物體上，在腦海中尋找俄羅斯人預(yù)測(cè)的點(diǎn)，這片云會(huì)在哪里再次爆炸。

這樣的點(diǎn)是不存在的。在腦海里，彭羅斯終于看到了解體將如何暢通無(wú)阻地繼續(xù)下去。在密度越來(lái)越大的中心之外，這個(gè)天體發(fā)出的光比銀河系中所有恒星發(fā)出的光都要多。而在內(nèi)心深處，光線會(huì)以戲劇性的角度彎曲，在時(shí)空中扭曲，直到每個(gè)方向都互相聚合。會(huì)有一個(gè)無(wú)法回頭的點(diǎn)。光、空間和時(shí)間將全部停止。一個(gè)黑洞。

在那一刻，彭羅斯知道奇點(diǎn)不需要任何特殊的環(huán)境。在宇宙中，奇點(diǎn)的存在并非不可能。他們是不可避免的?；氐浇值牧硪贿叄^續(xù)和魯賓遜談話，很快忘記了他在想的事。他們告別后，彭羅斯回到了辦公室里的粉筆沫和成堆的紙張中。

下午剩下的時(shí)間和往常一樣，只不過(guò)，彭羅斯發(fā)現(xiàn)自己心情異常好。他想不出為什么。他開(kāi)始回顧這一天，尋找是什么讓他如此興奮。他的思緒又回到了過(guò)馬路時(shí)，那一刻的寂靜。那一切都像洪水一樣涌了回來(lái)。他已經(jīng)解決了奇點(diǎn)問(wèn)題。他開(kāi)始寫(xiě)下方程式，測(cè)試、編輯、重新排列。爭(zhēng)論仍然很激烈，但都有效果。引力坍縮只需要一些非常普遍的、容易滿足的能量條件，就可以坍縮成無(wú)限密度。彭羅斯知道，在那一刻，宇宙中肯定有數(shù)十億個(gè)奇點(diǎn)。這個(gè)想法將顛覆人類對(duì)宇宙的理解，并塑造我們今天對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

不到兩個(gè)月，彭羅斯就開(kāi)始就這個(gè)定理發(fā)表演說(shuō)。12月中旬，他向?qū)W術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》提交了一篇論文。這篇論文發(fā)表于1965年1月18日，僅僅在他和魯賓遜過(guò)馬路的四個(gè)月后。結(jié)果并不完全如他所愿，彭羅斯奇點(diǎn)定理遭遇了辯駁。

同年晚些時(shí)候，在倫敦舉行的廣義相對(duì)論和重力國(guó)際大會(huì)上，這場(chǎng)辯論達(dá)到了高潮。“不是很友好。俄國(guó)人很惱火，不愿意承認(rèn)他們錯(cuò)了?！迸砹_斯說(shuō)。會(huì)議以爭(zhēng)論未解決而結(jié)束。但不久之后，俄羅斯的論文出現(xiàn)了計(jì)算錯(cuò)誤——數(shù)學(xué)存在致命缺陷，他們的論點(diǎn)不再站得住腳。彭羅斯說(shuō)：“他們做這件事的方式有錯(cuò)誤?！?/p>

到1965年底，彭羅斯奇點(diǎn)定理在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。他那獨(dú)特的洞察力成為宇宙學(xué)的推動(dòng)力。他不僅解釋了類星體是什么，還揭示了宇宙潛在現(xiàn)實(shí)的重要真相。從那時(shí)起，人們提出的任何宇宙模型都必須包括奇點(diǎn)，這意味著包括超越相對(duì)論的科學(xué)。奇點(diǎn)也開(kāi)始滲入到公眾意識(shí)中，部分原因是，奇點(diǎn)被稱為“黑洞”，這是美國(guó)科學(xué)記者安·尤因首次公開(kāi)使用的術(shù)語(yǔ)。

斯蒂芬·霍金與彭羅斯一起研究奇點(diǎn)后，以彭羅斯定理顛覆了有關(guān)宇宙起源的理論。奇點(diǎn)成為所有關(guān)于宇宙的自然、歷史和未來(lái)理論的中心。實(shí)驗(yàn)人員確認(rèn)了其他奇點(diǎn)，包括位于星系中心的超大黑洞中心，由萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋斯發(fā)現(xiàn)，他們與彭羅斯共同獲得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

彭羅斯繼續(xù)發(fā)展出一種可替代大爆炸理論的理論，即保形循環(huán)宇宙論，其證據(jù)可能來(lái)自遠(yuǎn)古黑洞的殘余信號(hào)。2013年，工程師兼計(jì)算機(jī)科學(xué)家凱蒂·布曼領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)出一種算法，他們希望對(duì)黑洞進(jìn)行拍照。2019年4月，視界望遠(yuǎn)鏡利用該算法捕捉到了第一張黑洞圖像，用生動(dòng)的視覺(jué)證實(shí)了愛(ài)因斯坦和彭羅斯曾經(jīng)有爭(zhēng)議的理論。

現(xiàn)年89歲的彭羅斯很高興被授予物理學(xué)的最高榮譽(yù)——諾貝爾獎(jiǎng)，但他心里還有其他事情?！案杏X(jué)很奇怪。我一直在努力調(diào)整自己。這是莫大的榮幸和感激，”他在得知消息幾小時(shí)后告訴我。“但另一方面，我試圖同時(shí)寫(xiě)出三篇不同的（科學(xué)）文章，這比以前更難?！彼忉屨f(shuō)。電話一直響個(gè)不停，人們祝賀他，記者要求采訪他。所有這些喧囂讓他無(wú)法專注于自己的最新理論。彭羅斯比任何人都了解沉默的力量和它所能帶來(lái)的靈光。

（摘自英國(guó)廣播公司新聞網(wǎng)）（編輯/萊西）