諾貝爾物理學獎與羅傑·彭羅斯的靈感：一瞬間的沉默如何解決了黑洞內部的奇怪數學問題
1964年9月的一天，天氣晴朗，羅傑·彭羅斯（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。
羅傑·彭羅斯因其在奇點方面的研究而被授予諾貝爾物理學獎。 他們走到彭羅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，彭羅斯的思緒飄忽了。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。他想象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。彭羅斯在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。 但在這樣一個奇點裏，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。 彭羅斯說：「在很長一段時間裏，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。」 黑洞中心的奇點能產生強烈的熱量，令輻射超級明亮，向四面八方噴射。 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裏發揮了太多能量。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象的那樣不可能出現?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。 彭羅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。 彭羅斯對此持懷疑態度。 黑洞首圖：視頻還原人類捕捉黑洞影像全過程 他說：「我有一種強烈的感覺，他們使用的方法不太可能得出確切的結論。」「在我看來，這個問題需要以一種比他們現在所做的更普遍的方式來看待，這在某種程度上是一個有限的焦點。」 然而，儘管彭羅斯拒絶相信他們的論點，他仍然不能為奇點問題找到通用的解決方案。那是在羅賓遜來訪之前。羅賓遜也在研究奇點問題，但兩人於1964年秋天在倫敦的談話並沒有討論這個問題。 然而，在那個十字路口短暫的寂靜中，彭羅斯意識到俄國人錯了。 所有這些能量、運動和質量收縮在一起會產生強烈的熱量，令輻射會向各個方向的波長爆發出來。它的體積越小，速度就越快，發出的光就越亮。 他在腦海中把黑板上的圖畫和日記裏的素描映射在那個遙遠的物體上，在腦海中尋找俄羅斯人預測的點，這片雲會在哪裏再次爆炸。 這樣的點是不存在的。在腦海里，彭羅斯終於看到了解體將如何暢通無阻地繼續下去。在密度越來越大的中心之外，這個天體發出的光比銀河系中所有恆星發出的光都要多。而在內心深處，光線會以戲劇性的角度彎曲，在時空中扭曲，直到每個方向都互相聚合。 會有一個無法回頭的點。光、空間和時間將全部停止。一個黑洞。 在那一刻，彭羅斯知道奇點不需要任何特殊的環境。在宇宙中，奇點的存在並非不可能。他們是不可避免的。 20世紀70年代，斯蒂芬·霍金和羅傑·彭羅斯一起創立了奇點理論。 回到街的另一邊，他繼續和魯賓遜談話，很快忘記了他在想的事。他們告別後，彭羅斯回到了辦公室裏的粉筆沫和成堆的紙張中。 下午剩下的時間和往常一樣，只不過，彭羅斯發現自己心情異常好。他想不出為什麼。他開始回顧這一天，尋找是什麼讓他如此興奮。 他的思緒又回到了過馬路時，那一刻的寂靜。那一切都像洪水一樣湧了回來。他已經解決了奇點問題。 他開始寫下方程式，測試、編輯、重新排列。爭論仍然很激烈，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，就可以坍縮成無限密度。彭羅斯知道，在那一刻，宇宙中肯定有數十億個奇點。 這個想法將顛覆人類對宇宙的理解，並塑造我們今天對宇宙的認識。 不到兩個月，彭羅斯就開始就這個定理髮表演說。12月中旬，他向學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）提交了一篇論文。這篇論文發表於1965年1月18日，僅僅在他和魯賓遜過馬路的四個月後。 結果並不完全如他所願。彭羅斯奇點定理遭遇了辯駁。 同年晚些時候，在倫敦舉行的廣義相對論和重力國際大會上，這場辯論達到了高潮。 「不是很友好。俄國人很惱火，不願意承認他們錯了。」彭羅斯說。會議以爭論未解決而結束。 但不久之後，俄羅斯的論文出現了計算錯誤——數學存在致命缺陷，他們的論點不再站得住腳。 在距離太陽系26000光年的銀河系中心，有一個超大的黑洞。 彭羅斯說：「他們做這件事的方式有錯誤。」 到1965年底，彭羅斯奇點定理在世界範圍內引起了廣泛關注。他那獨特的洞察力成為宇宙學的推動力。他不僅解釋了類星體是什麼，還揭示了宇宙潛在現實的重要真相。從那時起，人們提出的任何宇宙模型都必須包括奇點，這意味著包括超越相對論的科學。 奇點也開始滲入到公眾意識中，部分原因是，奇點被稱為「黑洞」，這是美國科學記者安·尤因（Ann Ewing）首次公開使用的術語。 斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）與彭羅斯一起研究奇點後，以彭羅斯定理顛覆了有關宇宙起源的理論。奇點成為所有關於宇宙的自然、歷史和未來理論的中心。實驗人員確認了其他奇點，包括位於星系中心的超大黑洞中心，由萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·蓋斯（Andrea Ghez）發現，他們與彭羅斯共同獲得了今年的諾貝爾物理學獎。 彭羅斯繼續發展出一種可替代大爆炸理論的理論，即保形循環宇宙論（Conformal Cyclic Cosmology），其證據可能來自遠古黑洞的殘餘信號。 2013年，工程師兼計算機科學家凱蒂·布曼（Katie Bouman）領導的研究小組開發出一種算法，他們希望對黑洞進行拍照。2019年4月，視界望遠鏡利用該算法捕捉到了第一張黑洞圖像，用生動的視覺證實了愛因斯坦和彭羅斯曾經有爭議的理論。 現年89歲的彭羅斯很高興被授予物理學的最高榮譽——諾貝爾獎，但他心裏還有其他事情。 「感覺很奇怪。我一直在努力調整自己。這是莫大的榮幸和感激，」他在得知消息幾小時後告訴我。「但另一方面，我試圖同時寫出三篇不同的(科學)文章，這比以前更難。」他解釋說。電話一直響個不停，人們祝賀他，記者要求採訪他。所有這些喧囂讓他無法專注於自己的最新理論。 彭羅斯比任何人都了解沉默的力量和它所能帶來的靈光。 霍金教給我們的重要一課：「黑洞不是描繪的那麼黑」 *帕琴·巴爾斯是駐多倫多的科學記者和作家，他正在寫羅傑·彭羅斯的傳記。