彭罗斯等三位研究黑洞的科学家共获诺贝尔物理学奖，他还是李飞飞的童年偶像

【新智元导读】10月6日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2020年诺贝尔物理学奖的一半授予罗杰·彭罗斯（Roger Penrose），另一半授予雷因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）和安德里亚·格兹（Andrea Ghez）。彭罗斯证明了黑洞的存在，而根泽尔与格兹发现银河系中心有一个超大质量的黑洞。李飞飞也发推祝贺彭罗斯，称受其激励走上人工智能之路。

2020年诺贝尔物理学奖公布，三名分别来自英国、德国和美国的科学家共同获得诺贝尔物理学奖，以表彰他们在发现宇宙黑洞方面做出的贡献。

 

李飞飞发推祝贺童年偶像获诺奖，彭罗斯：人类意识是非算法的

刚刚，李飞飞发推恭贺罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）赢得了今年的诺贝尔物理学奖！

 

李飞飞称，「彭罗斯是我童年时的偶像，一个物理学巨人，也是一个重要的知识分子榜样，他的著作激励我从物理学转向神经科学，最终走上了人工智能之路」！

       

 

罗杰 · 彭罗斯爵士在1989年出版了《皇帝的新脑: 关于计算机、大脑和物理定律》一书。

 

彭罗斯认为，人类意识是非算法的，因此不能被包括数字计算机在内的传统图灵机所模拟。彭罗斯假设量子力学在理解人类意识方面起着至关重要的作用。

 

《皇帝的新脑》中指出，现代计算机采用确定性模型，在大多数情况下只是简单地执行算法，更多的是在模拟经典力学的有形世界，而不是无法估量的量子力学世界。

 

彭罗斯的著作给了学生时代的李飞飞很多哲学方面的启发，最终，引导她走上了人工智能之路。

 

因为太过超前，彭罗斯的很多论点也被哲学、计算机科学等领域的专家认为是错误的。但是今天，至少他关于黑洞的理论得到了学界的认可。

 

宇宙中的暗黑力量：黑洞

黑洞是这样一个区域，「其中包含的物质是如此之多，而这个区域的空间又如此之小」，以至于引力产生了失控效应: 物质坍缩到一个密度极大的中心点，称为奇点。

 

在奇点一定距离内的一切物体都会受到引力的束缚，从而向内坠落。即使是在黑洞的球面上经过且不会返回的光线也会被吸入，从而使黑洞隐形。

              

将黑洞形象化的一个常见方法是把一个二维的薄片拉伸成一个漏斗，试着想象一下这个漏斗在三维空间中的样子，在这个空间中，物质从各个方向向中心点倾斜。

 

黑洞是如何形成的

 

当物质或能量密度足够大时，黑洞就形成了。要形成黑洞，地球必须缩小成一个比乒乓球还小的球体。

 

尽管这些微小的黑洞可能是在大爆炸期间形成的，但今天在宇宙中观测到的黑洞要大得多。它们通常是在质量至少是太阳10倍以上的恒星耗尽燃料时形成的。

 

              

由于外部辐射压力不再能够抵消向内倾斜的引力，恒星的核心向内坍塌ーー这种事件通常伴随着超新星的爆炸。

 

形成超大质量黑洞的确定性较低，比如像 Reinhard Genzel，Andrea Ghez 和他们的团队在银河系中心研究的名为 Sagittarius a * 的黑洞，其质量相当于400万个太阳。

 

这些庞然大物可能形成于宇宙最初的10亿年，当时星系围绕着它们成型。但是，它们究竟是从引力坍缩成黑洞然后以天文学方式增长起来的恒星开始，还是从大量等离子体的直接坍缩形成的，又或是以其他方式，仍然是一个悬而未决的问题。

 

如何观测黑洞

 

人们通过几种方式发现它们的无形存在。

 

引力波探测器通过测量产生的时空拉伸和挤压来感知黑洞碰撞。

 

事件视界望远镜使用一个全球性的望远镜网络，以惊人的高分辨率，观察超重黑洞事件视界外的明亮光环，但是这种直接的观察只是在过去的五年里才开始。

        

       

从20世纪60年代开始，天文学家开始观测被称为类星体的遥远天体所释放的巨大能量。研究人员怀疑类星体实际上是超大质量黑洞，它们吸入了大量的气体和尘埃。

 

大约在同一时间，望远镜探测到了来自恒星的 x 射线，而这些 x 射线本不应该自己产生辐射。研究人员最终得出结论，看不见的伴星黑洞一定在吸走恒星的物质并产生光。

 

至于我们银河系中心的黑洞，它的存在的第一个迹象是在1931年被发现的，当时射电天文学先驱卡尔 · 金斯基观察到一个射电信号从人马座方向发出。

 

20世纪90年代的进一步观测为银河系中心存在超重物体提供了更多的证据，但是在天文学家能够明确表明这些中心锚是超大质量黑洞之前，还需要更好的技术和更智能的观测策略。

 

关于黑洞，罗杰 · 彭罗斯发现了什么

对于罗杰 · 彭罗斯，也许你对他的物理学成就并不熟悉，但是线性代数中大家所熟悉的「广义逆矩阵Moore–Penrose Inverse」是他博士期间就做出的工作。

 

罗杰 · 彭罗斯其人

 

罗杰 · 彭罗斯爵士(1931年8月8日出生)是英国数学物理学家、数学家、科学哲学家和今年的诺贝尔物理学奖获得者之一。他同时也是牛津大学数学荣誉退休教授，牛津沃德姆学院荣誉研究员，剑桥圣约翰学院荣誉研究员。

              

罗杰 · 彭罗斯的重大发现发生在1965年，那时候已经发现了被称为类星体的超亮物体。这些物体如此明亮，以至于研究人员推测它们可能是物质落入超紧凑、超大质量物体的闪光。

 

虽然爱因斯坦的广义相对论理论预测了黑洞的存在，但是他自己并不相信它们真的存在。黑洞是否只是爱因斯坦理论中的一个数学产物，或者它们是否真的在宇宙中形成，这个几十年来的问题重新引起了人们的兴趣。

 

在那之前，研究人员一直绞尽脑汁想弄清楚像爱因斯坦方程式中的「Schwarzschild 解」，即最简单的黑洞，1916年由卡尔·史瓦西在纸上计算出来，但是在自然界中是否真的存在？

 

这些理论解只是在简化的假设下研究的，即引力坍缩的物质是一个完美的球体。问题是，由此产生的奇点是否仅仅是完美球面对称的人为产物ーー这种对称在纸面上是可能的，但在本质上却是荒谬的。

 

              

与霍金一起证明奇点定理

 

彭罗斯在他1965年的论文中指出，「偏离球面对称并不能阻止时空奇点的出现。」换句话说，即使一颗恒星被扭曲了，它仍然会塌缩到一个点。

 

他通过引入「陷阱表面」的概念，以及现在著名的分析表面在时空中如何位置的图解方案来说明这一点。与普通表面不同的是，被困表面是一个封闭的二维表面，即使扭曲变形，它也不再是一个球体，只允许光线向一个方向: 朝向中心点。

 

彭罗斯发现，空间和时间的维度在陷阱表面中起着转换的作用。时间是指向中心的方向，因此逃离黑洞就像回到过去一样不可能。彭罗斯和斯蒂芬 · 霍金很快证明了一个类似的分析适用于整个宇宙: 当物质和能量在大爆炸中密集地挤在一起时，奇点将不可避免地存在。

             

由于他和霍金一起证明了奇点定理，所以他们共同获得了1988年的沃尔夫奖，彭罗斯又单独获得1989年的狄拉克奖。

 

不仅如此，彭罗斯在设计领域也是有所建树。

 

不可能实现的彭罗斯三角

 

1954年，罗杰·彭罗斯在参加荷兰图形艺术家MC埃舍尔的演讲后被一种「打破空间规律」的图形深深吸引，于是找到自己的父亲，英国精神病学家莱昂内尔·彭罗斯一起写了一篇题为《不可能的物体：一种特殊的视觉幻觉》的小论文。

 

而他们主要介绍的就是Reutersvärd第一次绘制的三角形，只不过将组成三角形的边变成了连续的直线。从此以后这种三角形就被称为「彭罗斯三角」：

 

             

在彭罗斯的开创性发现之后，天文学家借助科技的力量，越来越了解宇宙深处的秘密，试图更近距离地展开黑洞的观测。

 

另两位诺奖获得者 Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 的开创性工作为现在的新一代天文学家开辟了崭新的道路，使他们能够对上一代天文学家的理论发现进行验证和预测。

这些测量和验证工作很可能为全新的理论提供线索，并向世人揭示更多的宇宙秘密！