彭羅斯等三位研究黑洞的科學(xué)家共獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他還是李飛飛的童年偶像

【新智元導(dǎo)讀】10月6日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半授予羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），另一半授予雷因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·格茲（Andrea Ghez）。彭羅斯證明了黑洞的存在，而根澤爾與格茲發(fā)現(xiàn)銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。李飛飛也發(fā)推祝賀彭羅斯，稱受其激勵(lì)走上人工智能之路。

2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布，三名分別來(lái)自英國(guó)、德國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)宇宙黑洞方面做出的貢獻(xiàn)。

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李飛飛發(fā)推祝賀童年偶像獲諾獎(jiǎng)，彭羅斯：人類意識(shí)是非算法的

剛剛，李飛飛發(fā)推恭賀羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）贏得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！

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李飛飛稱，「彭羅斯是我童年時(shí)的偶像，一個(gè)物理學(xué)巨人，也是一個(gè)重要的知識(shí)分子榜樣，他的著作激勵(lì)我從物理學(xué)轉(zhuǎn)向神經(jīng)科學(xué)，最終走上了人工智能之路」！

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羅杰 · 彭羅斯爵士在1989年出版了《皇帝的新腦: 關(guān)于計(jì)算機(jī)、大腦和物理定律》一書(shū)。

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彭羅斯認(rèn)為，人類意識(shí)是非算法的，因此不能被包括數(shù)字計(jì)算機(jī)在內(nèi)的傳統(tǒng)圖靈機(jī)所模擬。彭羅斯假設(shè)量子力學(xué)在理解人類意識(shí)方面起著至關(guān)重要的作用。

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《皇帝的新腦》中指出，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)采用確定性模型，在大多數(shù)情況下只是簡(jiǎn)單地執(zhí)行算法，更多的是在模擬經(jīng)典力學(xué)的有形世界，而不是無(wú)法估量的量子力學(xué)世界。

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彭羅斯的著作給了學(xué)生時(shí)代的李飛飛很多哲學(xué)方面的啟發(fā)，最終，引導(dǎo)她走上了人工智能之路。

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因?yàn)樘^(guò)超前，彭羅斯的很多論點(diǎn)也被哲學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的專家認(rèn)為是錯(cuò)誤的。但是今天，至少他關(guān)于黑洞的理論得到了學(xué)界的認(rèn)可。

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宇宙中的暗黑力量：黑洞

黑洞是這樣一個(gè)區(qū)域，「其中包含的物質(zhì)是如此之多，而這個(gè)區(qū)域的空間又如此之小」，以至于引力產(chǎn)生了失控效應(yīng): 物質(zhì)坍縮到一個(gè)密度極大的中心點(diǎn)，稱為奇點(diǎn)。

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在奇點(diǎn)一定距離內(nèi)的一切物體都會(huì)受到引力的束縛，從而向內(nèi)墜落。即使是在黑洞的球面上經(jīng)過(guò)且不會(huì)返回的光線也會(huì)被吸入，從而使黑洞隱形。

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將黑洞形象化的一個(gè)常見(jiàn)方法是把一個(gè)二維的薄片拉伸成一個(gè)漏斗，試著想象一下這個(gè)漏斗在三維空間中的樣子，在這個(gè)空間中，物質(zhì)從各個(gè)方向向中心點(diǎn)傾斜。

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黑洞是如何形成的

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當(dāng)物質(zhì)或能量密度足夠大時(shí)，黑洞就形成了。要形成黑洞，地球必須縮小成一個(gè)比乒乓球還小的球體。

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盡管這些微小的黑洞可能是在大爆炸期間形成的，但今天在宇宙中觀測(cè)到的黑洞要大得多。它們通常是在質(zhì)量至少是太陽(yáng)10倍以上的恒星耗盡燃料時(shí)形成的。

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由于外部輻射壓力不再能夠抵消向內(nèi)傾斜的引力，恒星的核心向內(nèi)坍塌ーー這種事件通常伴隨著超新星的爆炸。

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形成超大質(zhì)量黑洞的確定性較低，比如像 Reinhard Genzel，Andrea Ghez 和他們的團(tuán)隊(duì)在銀河系中心研究的名為 Sagittarius a * 的黑洞，其質(zhì)量相當(dāng)于400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)。

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這些龐然大物可能形成于宇宙最初的10億年，當(dāng)時(shí)星系圍繞著它們成型。但是，它們究竟是從引力坍縮成黑洞然后以天文學(xué)方式增長(zhǎng)起來(lái)的恒星開(kāi)始，還是從大量等離子體的直接坍縮形成的，又或是以其他方式，仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

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如何觀測(cè)黑洞

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人們通過(guò)幾種方式發(fā)現(xiàn)它們的無(wú)形存在。

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引力波探測(cè)器通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生的時(shí)空拉伸和擠壓來(lái)感知黑洞碰撞。

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事件視界望遠(yuǎn)鏡使用一個(gè)全球性的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，以驚人的高分辨率，觀察超重黑洞事件視界外的明亮光環(huán)，但是這種直接的觀察只是在過(guò)去的五年里才開(kāi)始。

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從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，天文學(xué)家開(kāi)始觀測(cè)被稱為類星體的遙遠(yuǎn)天體所釋放的巨大能量。研究人員懷疑類星體實(shí)際上是超大質(zhì)量黑洞，它們吸入了大量的氣體和塵埃。

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大約在同一時(shí)間，望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了來(lái)自恒星的 x 射線，而這些 x 射線本不應(yīng)該自己產(chǎn)生輻射。研究人員最終得出結(jié)論，看不見(jiàn)的伴星黑洞一定在吸走恒星的物質(zhì)并產(chǎn)生光。

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至于我們銀河系中心的黑洞，它的存在的第一個(gè)跡象是在1931年被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)射電天文學(xué)先驅(qū)卡爾 · 金斯基觀察到一個(gè)射電信號(hào)從人馬座方向發(fā)出。

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20世紀(jì)90年代的進(jìn)一步觀測(cè)為銀河系中心存在超重物體提供了更多的證據(jù)，但是在天文學(xué)家能夠明確表明這些中心錨是超大質(zhì)量黑洞之前，還需要更好的技術(shù)和更智能的觀測(cè)策略。

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關(guān)于黑洞，羅杰 · 彭羅斯發(fā)現(xiàn)了什么

對(duì)于羅杰 · 彭羅斯，也許你對(duì)他的物理學(xué)成就并不熟悉，但是線性代數(shù)中大家所熟悉的「廣義逆矩陣Moore–Penrose Inverse」是他博士期間就做出的工作。

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羅杰 · 彭羅斯其人

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羅杰 · 彭羅斯爵士(1931年8月8日出生)是英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、科學(xué)哲學(xué)家和今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一。他同時(shí)也是牛津大學(xué)數(shù)學(xué)榮譽(yù)退休教授，牛津沃德姆學(xué)院榮譽(yù)研究員，劍橋圣約翰學(xué)院榮譽(yù)研究員。

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羅杰 · 彭羅斯的重大發(fā)現(xiàn)發(fā)生在1965年，那時(shí)候已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了被稱為類星體的超亮物體。這些物體如此明亮，以至于研究人員推測(cè)它們可能是物質(zhì)落入超緊湊、超大質(zhì)量物體的閃光。

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雖然愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論理論預(yù)測(cè)了黑洞的存在，但是他自己并不相信它們真的存在。黑洞是否只是愛(ài)因斯坦理論中的一個(gè)數(shù)學(xué)產(chǎn)物，或者它們是否真的在宇宙中形成，這個(gè)幾十年來(lái)的問(wèn)題重新引起了人們的興趣。

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在那之前，研究人員一直絞盡腦汁想弄清楚像愛(ài)因斯坦方程式中的「Schwarzschild 解」，即最簡(jiǎn)單的黑洞，1916年由卡爾·史瓦西在紙上計(jì)算出來(lái)，但是在自然界中是否真的存在？

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這些理論解只是在簡(jiǎn)化的假設(shè)下研究的，即引力坍縮的物質(zhì)是一個(gè)完美的球體。問(wèn)題是，由此產(chǎn)生的奇點(diǎn)是否僅僅是完美球面對(duì)稱的人為產(chǎn)物ーー這種對(duì)稱在紙面上是可能的，但在本質(zhì)上卻是荒謬的。

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與霍金一起證明奇點(diǎn)定理

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彭羅斯在他1965年的論文中指出，「偏離球面對(duì)稱并不能阻止時(shí)空奇點(diǎn)的出現(xiàn)。」換句話說(shuō)，即使一顆恒星被扭曲了，它仍然會(huì)塌縮到一個(gè)點(diǎn)。

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他通過(guò)引入「陷阱表面」的概念，以及現(xiàn)在著名的分析表面在時(shí)空中如何位置的圖解方案來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。與普通表面不同的是，被困表面是一個(gè)封閉的二維表面，即使扭曲變形，它也不再是一個(gè)球體，只允許光線向一個(gè)方向: 朝向中心點(diǎn)。

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彭羅斯發(fā)現(xiàn)，空間和時(shí)間的維度在陷阱表面中起著轉(zhuǎn)換的作用。時(shí)間是指向中心的方向，因此逃離黑洞就像回到過(guò)去一樣不可能。彭羅斯和斯蒂芬 · 霍金很快證明了一個(gè)類似的分析適用于整個(gè)宇宙: 當(dāng)物質(zhì)和能量在大爆炸中密集地?cái)D在一起時(shí)，奇點(diǎn)將不可避免地存在。

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由于他和霍金一起證明了奇點(diǎn)定理，所以他們共同獲得了1988年的沃爾夫獎(jiǎng)，彭羅斯又單獨(dú)獲得1989年的狄拉克獎(jiǎng)。

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不僅如此，彭羅斯在設(shè)計(jì)領(lǐng)域也是有所建樹(shù)。

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不可能實(shí)現(xiàn)的彭羅斯三角

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1954年，羅杰·彭羅斯在參加荷蘭圖形藝術(shù)家MC埃舍爾的演講后被一種「打破空間規(guī)律」的圖形深深吸引，于是找到自己的父親，英國(guó)精神病學(xué)家萊昂內(nèi)爾·彭羅斯一起寫(xiě)了一篇題為《不可能的物體：一種特殊的視覺(jué)幻覺(jué)》的小論文。

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而他們主要介紹的就是Reutersv?rd第一次繪制的三角形，只不過(guò)將組成三角形的邊變成了連續(xù)的直線。從此以后這種三角形就被稱為「彭羅斯三角」：

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在彭羅斯的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)之后，天文學(xué)家借助科技的力量，越來(lái)越了解宇宙深處的秘密，試圖更近距離地展開(kāi)黑洞的觀測(cè)。

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另兩位諾獎(jiǎng)獲得者 Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 的開(kāi)創(chuàng)性工作為現(xiàn)在的新一代天文學(xué)家開(kāi)辟了嶄新的道路，使他們能夠?qū)ι弦淮煳膶W(xué)家的理論發(fā)現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證和預(yù)測(cè)。

這些測(cè)量和驗(yàn)證工作很可能為全新的理論提供線索，并向世人揭示更多的宇宙秘密！