下面這張圖片展示的內(nèi)容看起來(lái)讓人感到奇怪，如果這樣的圖形真實(shí)存在會(huì)是什么樣子？因?yàn)闊o(wú)論從哪個(gè)角度出發(fā)，最終都會(huì)無(wú)可避免地出現(xiàn)循環(huán)，并且這個(gè)循環(huán)沒(méi)有終點(diǎn)也不會(huì)結(jié)束。圖片中展示的圖形正是知名的幾何圖形——彭羅斯三角形。

著名的彭羅斯三角形

彭羅斯三角形由著名數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯在1954年創(chuàng)作，對(duì)循環(huán)的癡迷讓他在幾十年后的今天獲得了非同小可的成就。他不僅證明了廣義相對(duì)論預(yù)言的正確性，同時(shí)在他自己提出的循環(huán)宇宙論中得到了進(jìn)一步解釋。

根據(jù)他的相關(guān)理論，宇宙起源或許并不是那么簡(jiǎn)單，而且原有的大爆炸理論極有可能被改寫(xiě)，因?yàn)橛钪嬖谘h(huán)的證據(jù)已經(jīng)被找到。這聽(tīng)起來(lái)十分不可思議，但究竟什么是循環(huán)宇宙？羅杰斯教授又是如何提出這個(gè)理論的？這在當(dāng)代物理界會(huì)造成怎樣的影響？

本文將從共形循環(huán)宇宙學(xué)、霍金輻射、彭羅斯圖以及廣義相對(duì)論等多個(gè)方面來(lái)解答這些問(wèn)題，接下來(lái)一起看看這位諾獎(jiǎng)得主彭羅斯是如何找到相關(guān)證據(jù)的？

新宇宙框架

關(guān)于宇宙起源的新解釋?zhuān)磺卸己秃诙从嘘P(guān)。愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，但是他本人并不相信黑洞的真實(shí)存在，它應(yīng)該只是一個(gè)物理模型。當(dāng)然，我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，黑洞確實(shí)存在，看不見(jiàn)是因?yàn)槠纥c(diǎn)的存在。

1963年，以俄國(guó)科學(xué)家艾薩克·卡拉特尼科夫?yàn)橹鲗?dǎo)的研究小組發(fā)布了一篇關(guān)于奇點(diǎn)的物質(zhì)。不過(guò)關(guān)于奇點(diǎn)的描述，他們認(rèn)為奇點(diǎn)不是物質(zhì)宇宙的一部分。

彭羅斯的直覺(jué)告訴他，俄國(guó)研究小組可能錯(cuò)了。為了證明自己的奇點(diǎn)理論，彭羅斯在1965年發(fā)表了自己關(guān)于宇宙奇點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。不過(guò)相關(guān)的理論并沒(méi)有得到當(dāng)時(shí)主流學(xué)界的認(rèn)可，一直到70年代，這一情況才有所突破。

奇點(diǎn)理論的研究給彭羅斯帶來(lái)了新的靈感，在引力坍縮的局部背景下，彭羅斯開(kāi)展了更大膽的想象。彭羅斯和霍金的合作進(jìn)一步完善了奇點(diǎn)理論，最后才讓公眾認(rèn)識(shí)到奇點(diǎn)的影響有多大，并且它是真實(shí)存在于黑洞之中的。

這一階段或許并沒(méi)有得到什么突破性的進(jìn)展，但彭羅斯逐漸在相關(guān)的研究中以數(shù)學(xué)的形式為人們展示了一種圖形，彭羅斯圖。彭羅斯圖看上去很有視覺(jué)誤導(dǎo)性，但實(shí)際上這是一張二維的圖形，通過(guò)對(duì)無(wú)窮大的“保形處理”（一種數(shù)學(xué)手段）來(lái)捕捉時(shí)空中不同點(diǎn)之間的因果關(guān)系。

與其他物理坐標(biāo)系不同的是，彭羅斯圖引入了一個(gè)通過(guò)縮小或壓縮更遠(yuǎn)距離來(lái)表示遙遠(yuǎn)時(shí)空的系統(tǒng)。所以，恒定時(shí)間的直線和恒定空間坐標(biāo)的直線變成了雙曲線。

彭羅斯圖的二維面

這些雙曲線在圖形的拐角處匯聚，點(diǎn)和邊界代表時(shí)空的“共性無(wú)限”。正是這方面的研究才駁定了俄國(guó)科學(xué)家的理論，而彭羅斯圖常用來(lái)說(shuō)明包含黑洞的時(shí)空因果結(jié)構(gòu)。總體來(lái)講，關(guān)于黑洞的初步探索給后來(lái)的理論樹(shù)立了一個(gè)基本框架。

宇宙在不斷循環(huán)？

進(jìn)入21世紀(jì)，人們幾乎都接受了宇宙大爆炸理論，黑洞和奇點(diǎn)也被證明是存在的，但沒(méi)人能夠看到黑洞真實(shí)的樣子。2010年，彭羅斯推廣了他基于廣義相對(duì)論框架下的宇宙模型，并根據(jù)宇宙微波背景輻射探測(cè)器收集到的數(shù)據(jù)，證明了我們現(xiàn)在的宇宙在大爆炸之前的早期宇宙。

一切的開(kāi)始：大爆炸

共性循環(huán)宇宙的出現(xiàn)為人們展現(xiàn)了一種新的可能，彭羅斯認(rèn)為宇宙通過(guò)無(wú)限循環(huán)的方式進(jìn)行迭代，每次先前迭代的未來(lái)類(lèi)時(shí)無(wú)限，也就是彭羅斯圖所想要證明的時(shí)空結(jié)果，都被確定為大爆炸奇點(diǎn)。

每一個(gè)時(shí)空代表一個(gè)大爆炸，隨后是無(wú)限的未來(lái)膨脹。同時(shí)，彭羅斯也注意到，彭羅斯圖中的保形處理可以附加到另一個(gè)未來(lái)的共形邊界。如果彭羅斯圖把表現(xiàn)為類(lèi)時(shí)無(wú)窮并接近于零時(shí)，便會(huì)有效地將未來(lái)的共形邊界壓扁為共性規(guī)則的超曲面。

共形映射展示

彭羅斯由此研究得到了愛(ài)因斯坦方程的新解，并以此用來(lái)代表整個(gè)宇宙，而彭羅斯本人則稱(chēng)之為“永恒邊界”。共性循環(huán)宇宙理論指出，所有大質(zhì)量粒子最終都會(huì)從存在中消失，包括與所有其他粒子分離太遠(yuǎn)而無(wú)法一起湮滅的粒子。

各種黑洞解的彭羅斯圖

在物理方面，玻色子會(huì)遵循共性不變的量子理論。對(duì)于這樣的粒子來(lái)說(shuō)，永恒之間的邊界就不再是邊界，而是一個(gè)可以像其他任何東西一樣穿過(guò)的空間表面。

此外，費(fèi)米子仍然被限制在一個(gè)給定的時(shí)間范圍內(nèi)，以此為黑洞信息悖論提供了一個(gè)解決方案。根據(jù)彭羅斯的說(shuō)法，黑洞在蒸發(fā)的過(guò)程中，費(fèi)米子必須不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)化為輻射，以保持永恒之間邊界的平滑度。

關(guān)于黑洞信息悖論

共形宇宙與宇宙微波背景之間的研究讓彭羅斯對(duì)大爆炸和宇宙暴漲論提出了質(zhì)疑。如同剛才我們所講，永恒循環(huán)開(kāi)始和結(jié)束，最終都會(huì)被超大質(zhì)量黑洞吸收，并通過(guò)霍金輻射蒸發(fā)消失，為下一次大爆炸奠定基礎(chǔ)。

視界界限的墜落

因此在2010年~2018年這期間，彭羅斯一直在為自己的理論做實(shí)證檢驗(yàn)。早期的實(shí)證檢驗(yàn)階段并不順利，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)仍然差很多。理論在后來(lái)有了新的補(bǔ)充，彭羅斯理論的程序模擬得到了較為合理的結(jié)果。

黑洞視界的一種可能預(yù)測(cè)

彭羅斯的理論關(guān)鍵在于如何通過(guò)霍金輻射來(lái)驗(yàn)證整個(gè)理論系統(tǒng)，直到2019年的新發(fā)現(xiàn)，才最終為2020年的獲獎(jiǎng)一錘定音。

黑洞照片揭示真相

諾貝爾獎(jiǎng)并不只是彭羅斯一個(gè)人的成果，另外還有安德里亞·蓋茲領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)小組。從1990年開(kāi)始，他們便一直專(zhuān)注在銀河系中心的人馬座A*的區(qū)域進(jìn)行觀察。

相關(guān)的觀察結(jié)果與其他天文小組相同，他們都發(fā)現(xiàn)了銀河系中一個(gè)超大質(zhì)量但又看不見(jiàn)的物體，它拉動(dòng)著雜亂的恒星運(yùn)動(dòng)。而它大約有400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，并且這些質(zhì)量聚集在比太陽(yáng)系還小的區(qū)域內(nèi)。

人馬座A*示意圖

這極有可能是一個(gè)黑洞，為了拍攝這個(gè)黑洞，科學(xué)家利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和世界各地的巨型望遠(yuǎn)鏡組建了一個(gè)“事件視界望遠(yuǎn)鏡”。最終這個(gè)黑洞的真面目被人們發(fā)現(xiàn)，而這也是歷史上人類(lèi)真正第一次拍攝到黑洞的照片。

彭羅斯的共形循環(huán)宇宙的關(guān)鍵證明點(diǎn)就是遠(yuǎn)古黑洞蒸發(fā)的參與信號(hào)，此次發(fā)現(xiàn)的銀河系中心黑洞歷史足夠久遠(yuǎn)，并且能為相關(guān)理論做出支持。

黑洞真正的樣子

黑洞的發(fā)現(xiàn)為彭羅斯的理論做出了支撐，在彭羅斯的宇宙論中，我們的宇宙也許并不是我們今天所想的那般。超大質(zhì)量黑洞的霍金輻射蒸發(fā)很有可能是宇宙循環(huán)的證據(jù)，因?yàn)樗跒橄乱淮未蟊ㄗ鰷?zhǔn)備。

彭羅斯和安德里亞此次的發(fā)現(xiàn)或許會(huì)改寫(xiě)人們對(duì)宇宙的看法，盡管有相關(guān)的科研團(tuán)隊(duì)在之前提出了質(zhì)疑，認(rèn)為彭羅斯的宇宙不能解釋“尋找別處效應(yīng)”。但今天的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是顛覆性的，至少?gòu)膹V義相對(duì)論來(lái)講，彭羅斯的理論對(duì)黑洞的形成預(yù)測(cè)十分正確。

羅杰·彭羅斯

而另一方面，黑洞的新發(fā)現(xiàn)和觀察數(shù)據(jù)在未來(lái)還需要更多的研究，或許共形宇宙在未來(lái)會(huì)被徹底證明，如果是這樣，宇宙的每次循環(huán)就是新的開(kāi)始。