直播：2021腾讯科学WE大会：跟“天字号”科学家一起洞察天机
很少有科学家能像他这样 ， 在关于宇宙的最重大问题上给出决定性的回答 ， 泽被后世 。
更少有科学家敢像他那样 ， 以耄耋之龄孤身闯入无人行走的认知迷雾 ， 大胆远眺‘宇宙大爆炸’之前的世界 。
他就是英国数学家、物理学家罗杰·彭罗斯爵士 。

文章图片
图1/5

2020年 ， 他凭借上世纪60年代对‘黑洞可以在真实宇宙中自然产生’一锤定音的证明 ， 分享诺贝尔物理学奖的一半奖金 。
他的这一证明被学界誉为‘彭罗斯奇点定理’ ， 也正是基于该成果 ， 他与英国物理学家斯蒂芬·霍金一道 ， 进一步证明宇宙发端的‘大爆炸’也来自一个奇点 。
晚年的彭罗斯没有止步 。 2010年前后 ， 他提出一个相当大胆的假说：鉴于宇宙的遥远未来与宇宙的大爆炸开端在数学上极其相似 ， 也许宇宙并非只有一次大爆炸 ， 而是在一个个从大爆炸到死亡的‘永世’（aeon）中反复循环 。
他将这一无比宏大的假说命名为‘共形循环宇宙论’（ConformalCyclicCosmology ， 简称CCC） 。 讲他的故事 ， 要从黑洞说起 。
探究黑洞奥秘
从1783年开始 ， 就有科学家根据牛顿力学提出 ， 如果宇宙中有一种质量足够大而半径有限的天体 ， 那么光线将无法从它表面逃离 。
1915年 ， 爱因斯坦的广义相对论横空出世 ， 他告诉我们 ， 物质如何让时空弯曲 ， 而时空弯曲又如何影响物质的运动 。 这一理论 ， 取代牛顿力学成为现代物理学理解时空本质的基础理论 。
很快就有物理学家计算出 ， 广义相对论同样预言 ， 当一个大质量天体压缩到足够小的半径内 ， 光将无法摆脱其引力 。 这在后来被称作‘黑洞’ 。
但包括爱因斯坦本人在内的一些物理学家 ， 对这个说法存在质疑：他们认为这个假说的推算过程采用球对称假设 ， 而受磁场、自转等影响 ， 自然界中并不存在完美球对称的天体 ， 因此黑洞在现实中无法形成 。
而这一质疑 ， 在爱因斯坦去世10年后 ， 被彭罗斯彻底驳回了 ， 他用独到的数学工具解答了黑洞形成的问题 。 彭罗斯引入了‘俘获面’的概念 ， 他证明 ， 一旦俘获面形成 ， 一切进入俘获面的物质 ， 不仅无法逃逸 ， 而且必然终将被压缩到黑洞中心的一点——‘奇点’ 。 1965年发表的‘彭罗斯奇点定理’ ， 一锤定音地证明黑洞确实可以在真实宇宙中自然形成——这项成果 ， 被视为爱因斯坦之后对广义相对论的最重要贡献 ， 这也是他在2020年获得诺贝尔物理学奖的原因 。
揭示宇宙起源
‘奇点’只是起点 ， 奇点定理的发现又引发了他对宇宙起源的探索 ， 而这也正出自他与毕生诤友、著名英国物理学家斯蒂芬·霍金的合作 。
1922年美国天文学家埃德温·哈勃观测到‘红移现象’ ， 发现不管你往哪个方向看 ， 远处的星系都正在远离我们而去——宇宙看起来在膨胀 。
反过来说 ， 宇宙是从早期的极小尺度‘长大’为如今的模样——这被称作大爆炸宇宙论 。 1964年宇宙微波背景辐射的发现 ， 让大爆炸宇宙论得到广泛接受 。


文章图片
图2/5

丨大爆炸空间膨胀时间线 ， NASA/WMAP Science Team
但关于大爆炸发生的细节还有很多未知：与反对黑洞奇点的理由一样 ， 有一些物理学家认为即使宇宙早期真的存在一个极高密度的时期 ， 也并不代表宇宙可以从一个密度无穷大的奇点起源 。 1970年 ， 霍金和彭罗斯一同将彭罗斯奇点定理延伸到宇宙学情形下 ， 证明大爆炸必然产生于奇点 ， 这就是‘霍金 - 彭罗斯奇点定理’ ， 此后宇宙学标准模型的基石之一 。