他在馬路上一時出神,56年後拿到了諾貝爾物理學獎:解開愛因斯坦「奇點」之謎的潘洛斯

2020-10-12 17:10

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羅傑・潘洛斯因其在奇點方面的研究而被授予諾貝爾物理學獎。(BBC中文網)

羅傑・潘洛斯因其在奇點方面的研究而被授予諾貝爾物理學獎。(BBC中文網)

1964年9月的一天,天氣晴朗,羅傑・潘洛斯(Roger Penrose)的一位老朋友來拜訪他。 此前在德克薩斯州的達拉斯生活和工作的英國宇宙學家艾弗・羅賓遜(Ivor Robinson)回到了英國。 這兩人每次見面都不缺話談,而且這次談話沒完沒了,範圍很廣。

他們走到潘洛斯在倫敦伯克貝克學院(Birkbeck College)的辦公室附近,在路邊稍作停留,等待繁忙的交通停一停。 此時的停頓讓對話也稍作喘息,他們過馬路時陷入沉默。

在那一刻,潘洛斯的思緒飄忽了。 它穿過了25億光年的真空外層空間,到達了一個沸騰的旋轉類星體。 他想像著引力坍縮是如何掌控,將整個星系拉向更深處、更靠近中心的地方。 就像一個旋轉的花樣滑冰運動員把手臂拉向身體,這個物體在收縮過程中旋轉得越來越快。

這短暫的靈光一閃給了他一個啟示——56年後,這個啟示讓他獲得了諾貝爾物理學獎。

像許多相對論學家一樣,理論物理學家致力於測試、探索和擴展愛因斯坦的廣義相對論。 潘洛斯在20世紀60年代早期研究一個奇怪但特別棘手的矛盾,被稱為「奇點問題」。

愛因斯坦於1915年發表了《通論》(General Theory),徹底改變了科學家對空間、時間、引力、物質和能量的理解。 到20世紀50年代,愛因斯坦的理論獲得了廣泛成功,但它的許多預測仍然被認為不可能,不可檢驗。 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進入一個足夠小的區域,從而變得無限稠密,形成一個連光都無法逃脫的「奇點」(singularity)。 這些點被稱為黑洞。

但在這樣一個奇點里,已知的物理定律將不再適用,包括預言它存在的愛因斯坦自己的相對論。

正是出於這個原因,奇點對數學相對論家來說非常吸引人。 不過,大多數物理學家一致認為,我們的宇宙太過有序,實際上不可能包含這些區域。 即使奇點確實存在,也沒有辦法觀察到它們。

潘洛斯說:「在很長一段時間里,人們都持強烈的懷疑態度。」「人們認為會出現彈跳:一個物體會解體,以某種複雜的方式旋轉,然後嗖嗖地飛回來。」

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世紀50年代末,射電天文學這一新興領域的觀察結果令這些觀點陷入混亂。射電天文學家發現了新的宇宙物體,看起來非常明亮,非常遙遠,非常小。最初被稱為「類恆星物體」,後來簡稱為「類星體」。這些物體似乎在太小的空間里發揮了太多能量。雖然看似不可能,但每一個新的觀察結果都指向說明這樣一種觀點,即類星體是正在坍縮為奇點的古老星系。

科學家們被迫自問,奇點是否像每個人想像的那樣不可能出現? 相對論的預言難道不只是數學上的異想天開嗎?

在奧斯丁、普林斯頓和莫斯科,在劍橋和牛津,在南非、紐西蘭、印度和其他地方,宇宙學家、天文學家和數學家都在努力尋找一個可以解釋類星體本質的決定性理論。

大多數科學家通過嘗試識別高度專門化的環境來應對這一挑戰,奇點可能在這種環境下形成。

潘洛斯當時在倫敦伯克貝克學院讀書,他採取了不同的方法。 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學結構。 他在伯克貝克時,花了很長時間在一塊巨大的黑板上工作,黑板上布滿了他自己設計的曲線和扭曲的圖表。

1963年,以艾薩克・卡拉特尼科夫(Isaac Khalatnikov)為首的一個俄羅斯理論家小組發表了一篇備受讚譽的論文,證實了大多數科學家仍然相信的東西,即奇點不是我們物質宇宙的一部分。 他們說,在宇宙中,坍塌的塵埃雲或恆星確實會在到達奇點之前再次膨脹。 類星體肯定有其他的解釋。

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