作者：邵紅能（科普作家，上海市城市科技學校）
來源：《知識就是力量》雜誌
2020年10月6日，瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松宣布，將2020年諾貝爾物理學獎授予羅傑·彭羅斯、萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·格茲，三位獲獎者因發現了宇宙中最奇特的現象黑洞。
▲ 2020年諾貝爾物理學獎獲獎者：羅傑·彭羅斯、萊因哈德·根澤爾和安德裡亞·格茲（左起）
圖 / 諾貝爾委員會英文官網
其中，羅傑·彭羅斯是著名物理學家霍金生前好友。2018年3月14日，霍金去世，彭羅斯在英國《衛報》發表題為《超脫軀體的偉大靈魂——物理學家羅傑·彭羅斯祭悼霍金文》的文章，全面闡述霍金的光輝和傳奇的一生。羅傑·彭羅斯是英國著名數學家、理論物理學家、爵士、牛津大學教授，為物理學、數學和幾何學做了很多貢獻。他用他本人的廣義相對論證明了恆星能夠構成黑洞，同時，他創造了扭量理論，這是一種全新的時空觀，使我們對引力有了更深層次的了解。
▲羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）
圖 / 維基百科
彭羅斯對數學物理的貢獻集中在和愛因斯坦的引力理論相關的問題上。
愛因斯坦的時空觀與萬有引力緊密相關，在愛因斯坦看來，萬有引力最恰當的解釋不是傳統的力，而是時間和空間的彎曲。當時空彎曲了，所有的物體走最短程的路徑，這些短程路徑看上去就像是引力作用在物體上所引起的。時空彎曲最有名的例子是黑洞，在黑洞的周圍存在一個曲面，在這個曲面之內，光線的最短程線不能到達黑洞的外部，這個特點就是黑洞這個名字的來源。
▲ 黑洞。
彭羅斯證明了，在大質量天體塌縮成黑洞的過程中，必然存在一個點，所有的塌縮物質在這個點之後不再存在路徑。用幾何的語言來說，這是幾何上的「奇點」。在普通的人看來，這是毀滅之點，因為越是靠近這個點，引力產生的拉扯力越大，最終歸於毀滅。從物理學的角度來看，在這個點上，所有的物理學定律不再適用。後來彭羅斯與霍金一道將奇點的存在性證明推廣到更加一般的情況，包括早期宇宙。奇點的存在一直是物理學中的一個難題。好在我們這些在黑洞外部的人不必擔心，因為我們看不到它們，它們總是被所謂的視界包圍起來。視界很像我們在大海上看到的一個圓，也就是地平線，在這個圓之外我們什麼也看不到。1969年，彭羅斯提出了著名的宇宙監督原理，該原理保證任何時空奇點都會被視界包圍起來。直到今天，這個猜測還是引力理論中的一個難題。
▲ 黑洞吞噬了周圍的恆星形成物質。
2012年，彭羅斯發現了宇宙大爆炸之前還存在另一個宇宙的證據。在對宇宙微波背景輻射的研究中，發現了神秘的同心圓現象，可以認為宇宙之前還有宇宙，並且提供了在前一個宇宙中所發生事件的痕跡。宇宙微波背景輻射讓我們「窺視」了在大爆炸發生後三十萬年的情景，這段時期與長達137億年的宇宙年齡相比顯得極其短暫。
事實上，宇宙中的恆星和星系大約在三億年後開始形成，我們的太陽則誕生於大爆炸之後的五十億年，而地球上首次出現生命則在37億年前。彭羅斯與葉里溫州立大學的科學家瓦赫·古薩德揚分析了由隸屬於美國國家航空航天局的威爾金森微波背景輻射探測器觀測到的數據，發現在大爆炸之前竟然存在神秘的輻射。根據他們的研究報告稱，一共發現了12個同心圓輻射「印跡」，其中有五個環具有特別的意義，分別對應著宇宙演化歷史上五次大規模的事件。出現星系團附近的神秘「圓環」的變化幅度在背景輻射上看卻顯得非常低。因此，研究人員似乎開始拋棄「暴漲」宇宙模型，該理論認為宇宙誕生於一次大爆炸中，並在將來會繼續膨脹直到一個臨界點，這種宇宙模型不僅有開端，也是結束。
▲宇宙大爆炸示例圖。
對此，彭羅斯在接受英國廣播公司的採訪中提到：「在我最新提出的宇宙學理論中，宇宙存在指數式的膨脹，但是這種膨脹並非萬古不變，隨著黑洞將宇宙內的物質全部吞噬，在遙遠的未來將以大爆炸的形式再度開啟另一個宇宙。」
此外，彭羅斯還建構了共形循環宇宙（簡稱「CCC」）模型。根據彭羅斯描述的每一個世代膨脹宇宙的未來：大大小小的黑洞像幽靈一樣，遊走在空曠而毫無生氣的宇宙中，時而互相碰撞合併，時而「呯」地突然消失，這是一個異常乏味並將延續到「永恆」的宇宙，時間漫長到可能要經過10100年。儘管彭羅斯的共形循環宇宙模型尚不完善，也難以有實驗證據的支持，但畢竟提供了一些有價值的思路，並且，人們由此而進行的有關共形幾何、引力熵等數學物理概念的探討，也是研究者們可以借鑑的。
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