神奇的諾貝爾獲獎(jiǎng)經(jīng)歷，源于少年時(shí)代對(duì)數(shù)學(xué)的熱愛(ài)

2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予三位科學(xué)家，其中一位羅杰·彭羅斯分得了1/2的獎(jiǎng)金。他獲獎(jiǎng)的成果，源于1964年一次過(guò)馬路時(shí)的奇思妙想。當(dāng)時(shí)彭羅斯和一位朋友走過(guò)一個(gè)十字路口，他腦中突然蹦出一個(gè)念頭：從廣義相對(duì)論應(yīng)該可以推論出黑洞的存在。

彭羅斯立刻跑回辦公室，做完了核心定理的驗(yàn)算證明，沒(méi)兩天就寫完全部論文。第二年，《物理評(píng)論快報(bào)》刊發(fā)了這篇論文。 2020年，這篇論文為彭羅斯帶來(lái)了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

與我們刻板印象中的「課題研究一搞要搞幾年」不同，彭羅斯的這篇課題研究從萌發(fā)靈感到最終出稿，寥寥數(shù)天，速度未免也太快了。是什么原因讓彭羅斯的出稿速度如此神速？除了他那本身就很扎實(shí)的物理學(xué)功底，還有他無(wú)與倫比的數(shù)學(xué)能力。

實(shí)際上，彭羅斯的常用頭銜就是數(shù)學(xué)家mathematician，數(shù)學(xué)物理學(xué)家mathematical physicist。他在24歲的時(shí)候就發(fā)明了廣義逆矩陣。今天我們就簡(jiǎn)單講講彭羅斯早期踏上數(shù)學(xué)之路的故事。

有一則關(guān)于愛(ài)因斯坦的都市傳說(shuō)，大意說(shuō)的是他兒童時(shí)期比較木訥遲鈍，做手工板凳也做不好，遭受到了老師和小伙伴們的歧視。這則故事毫無(wú)出處，當(dāng)然是假的。有趣的是，類似的事卻真實(shí)地發(fā)生在彭羅斯身上。

彭羅斯當(dāng)時(shí)8歲，一位小學(xué)老師給孩子們搞智力測(cè)驗(yàn)。所謂的測(cè)驗(yàn)題也很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)數(shù)字連續(xù)進(jìn)行混合運(yùn)算，類似(7+8)x3-9這樣的，孩子們用心算計(jì)算結(jié)果之后告訴老師。彭羅斯在規(guī)定時(shí)間里沒(méi)有得出答案，當(dāng)時(shí)的老師據(jù)此認(rèn)為他智力有問(wèn)題，就很嫌棄地把他降到了三年級(jí)。所幸的是，三年級(jí)的數(shù)學(xué)老師很善解人意，他通過(guò)仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，彭羅斯并不是不會(huì)算，而僅僅是口算速度比較慢。所以在數(shù)學(xué)考試的時(shí)候，他特別允許彭羅斯可以超時(shí)答題。

2020年，彭羅斯獲得諾獎(jiǎng)接受記者采訪，回憶起這段經(jīng)歷，還對(duì)那位老師表達(dá)了深深的感激之情。

當(dāng)時(shí)非常常見(jiàn)的一幕是，數(shù)學(xué)考試時(shí)間到了，同學(xué)們都陸續(xù)交了答卷，彭羅斯還在慢慢計(jì)算。他透過(guò)教室窗戶，能看到同學(xué)們?cè)陂_(kāi)心地玩耍。等彭羅斯交了答卷，老師批閱之后發(fā)現(xiàn)他的得分驚人地高。事實(shí)證明，這位老師沒(méi)有看走眼，彭羅斯只是計(jì)算慢并不是數(shù)學(xué)不好，他的智力更是沒(méi)有問(wèn)題。

彭羅斯開(kāi)始對(duì)數(shù)學(xué)著迷起來(lái)，尤其是幾何學(xué)，時(shí)常在腦中蹦跶出一些奇思妙想來(lái)。有一次他看見(jiàn)水槽底部的圖案，就突發(fā)奇想地問(wèn)爸爸：可以用無(wú)限多的六邊形鋪滿整個(gè)世界嗎？

他爸爸明確告訴他不行，但是「五邊形可以」。老爸隨后還帶著彭羅斯一起做了一堆五邊形的紙片模型來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題。彭羅斯和老爸制作幾何模型、繪畫有趣幾何圖案，是兩人的終身愛(ài)好，持續(xù)了很久。

在電影《盜夢(mèng)空間》里，主角們用一個(gè)神奇的可以首尾循環(huán)的階梯擺脫了壞人們的追擊，那個(gè)階梯就叫彭羅斯階梯。彭羅斯階梯可以看作是彭羅斯三角的變體。這兩個(gè)奇異的幾何圖形的共同特點(diǎn)是可以被畫出來(lái)，但是在我們的現(xiàn)實(shí)世界里絕對(duì)不可能做出來(lái)。

這兩個(gè)圖形最早是1934年瑞典藝術(shù)家OscarReutersv?rd完成初始制作，彭羅斯和父親進(jìn)一步設(shè)計(jì)推廣，將其變得為世人所知。父子倆在1958年2月的《英國(guó)心理月刊》中稱這類圖形叫“最純粹形式的不可能”。

彭羅斯的父親除了帶著兒子鉆研幾何世界，還帶著他進(jìn)入更廣闊的科學(xué)世界。比如用簡(jiǎn)易天文望遠(yuǎn)鏡觀察星空。彭羅斯獲得諾獎(jiǎng)之后表示，正是父親這樣一步步的引領(lǐng)，自己才會(huì)極度熱愛(ài)宇宙熱愛(ài)科學(xué)。

有趣的是，彭羅斯父親對(duì)兒子的職業(yè)期望卻不是科學(xué)家，而是長(zhǎng)大后成為一名醫(yī)生。彭羅斯在獲得諾獎(jiǎng)接受記者采訪時(shí)說(shuō)：

我的父母都是醫(yī)生，我是三個(gè)兄弟中的一個(gè)。我的父母已經(jīng)放棄了我的哥哥，他顯然是要成為一名物理學(xué)家或其他什么。我的弟弟創(chuàng)紀(jì)錄地十次成為英國(guó)國(guó)際象棋冠軍，顯然是要去下棋他。所以父母決定由我來(lái)繼承醫(yī)學(xué)專業(yè)。我也這么認(rèn)為。

彭羅斯自己也覺(jué)得長(zhǎng)大后應(yīng)該成為一名醫(yī)生，事情的轉(zhuǎn)折發(fā)生在他16歲的時(shí)候。校長(zhǎng)挨個(gè)找學(xué)生們談話，詢問(wèn)中學(xué)最后兩年的學(xué)習(xí)方向，并給出相應(yīng)的指導(dǎo)。到了彭羅斯這，他說(shuō)自己想重點(diǎn)學(xué)生物、化學(xué)和數(shù)學(xué)。校長(zhǎng)說(shuō)不能做組合，只能挑一個(gè)方向然后進(jìn)行專精的學(xué)習(xí)。

"如果你想做數(shù)學(xué)，你不能做生物化學(xué)。如果你想做生物化學(xué)，你就不能做數(shù)學(xué)，你自己選擇吧。"

彭羅斯挑選了最喜愛(ài)數(shù)學(xué)，放棄了生物化學(xué)，也意味著放棄了從醫(yī)之路。彭羅斯回家之后把這個(gè)決定告訴了父母，盡管兩位家長(zhǎng)非常惱火，但還是尊重了彭羅斯本人的意愿。

至此，天才彭羅斯沖上了最合適他奮斗的一條事業(yè)賽道，開(kāi)啟了對(duì)數(shù)學(xué)、物理的深度探索。

熟悉了彭羅斯走向科學(xué)的早期人生經(jīng)歷之后，我們很容易意識(shí)到，他日后在數(shù)學(xué)、物理領(lǐng)域大放光彩，看似偶然其實(shí)也是必然。無(wú)論是「用多邊形鋪滿世界」，還是「最純粹形式的不可能」，本質(zhì)上都是一件事，用奇思妙想的方式琢磨世界，是彭羅斯從小就習(xí)慣做的事。多年之后，他行走在馬路當(dāng)中，思考起深?yuàn)W的宇宙問(wèn)題，依然還是用奇思妙想的方式琢磨世界。

數(shù)學(xué)一生，思考一生。

文章由科普中國(guó)-星空計(jì)劃出品

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