中国医学物理学杂志
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不会设计错视图形的物理学家不是好诺奖得主?

10月6日,霍金的好友罗杰·彭罗斯因研究黑洞荣获2020年诺贝尔物理学奖,但他对世界的贡献并不限于此,图形学中著名的不可能图形彭罗斯三角,彭罗斯阶梯就是以他姓名命名。还有那贴满全世界图案也永不重复的瓷砖,也是他创造的。此外,他父亲、哥哥、弟弟妹妹均是各领域的专家,并取得非常多的成就。这是一个传奇家族。

昨日,2020年诺贝尔物理学奖在瑞典皇家科学院揭晓,获奖者为三位天体物理学家,分别是罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)、莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德烈亚·盖斯(Andrea Ghez),以表彰他们对黑洞的研究。

瑞典皇家科学院常任秘书 戈兰·k·汉森(Goran K. Hansson)在斯德哥尔摩的颁奖仪式上表示,今年的奖项与“宇宙中最黑暗的秘密”有关。奖金将分为三部分,罗杰·彭罗斯被授予一半(即55万美金),而另一半将有根泽尔和盖斯平分。彭罗斯是牛津大学的教授,曾与已故的史蒂芬·霍金共事。他指出,黑洞必须是一种物理实体,这证明了爱因斯坦的广义相对论。根泽尔和盖斯则是经过多年研究,在银河系中心发现了一个超大质量的黑洞。

罗杰·彭罗斯的造诣不仅仅是物理界,他对艺术界也作出了很大贡献,他与他父亲共同设计的不可能物体:彭罗斯三角形,以及后来延伸出的变体:彭罗斯阶梯。另一个则是他所设计的瓷砖镶嵌,利用两个固定的图形,按照他所制定的拼接规则,就能拼出无数种不重复的图案。

罗杰·彭罗斯爵士,生于1931年8月8日,是英国数学物理学家、数学家、科学哲学家、2020年诺贝尔物理学奖获得者。他是牛津大学罗斯·鲍尔数学荣誉教授,牛津大学瓦德汉姆学院荣誉研究员,剑桥大学圣约翰学院荣誉研究员。彭罗斯对广义相对论和宇宙学的数学物理学做出了巨大贡献。他获得过不少奖项和荣誉,包括他与斯蒂芬·霍金一起证明了奇点定理,共同获得1988年的沃尔夫物理奖,从1992年到1995年,他担任了国际广义相对论和引力学会的主席。1994年,彭罗斯因对科学的贡献而被封为爵士,1998年,他当选为美国外交副国家科学院等。他对物理界的贡献数不胜数,但他从未停止研究和学习,2020年,彭罗斯因为发现黑洞的形成是广义相对论的一个有力预测而获得了诺贝尔物理学奖,在这之前,爱因斯坦的广义相对论只是预言了黑洞的存在,但爱因斯坦自己并不相信它们真的存在。是彭罗斯,用数学方法证明了它们是相对论的自然结果,而不仅仅是科幻小说的结果。

(罗杰爵士1980年在牛津拍的照片)

(彭罗斯与霍金在牛津大学的合照)

如果有人跟你说,按照一个方法,把瓷砖铺满全世界也不会出现重复的图案,你会相信吗?彭罗斯的贴砖样式就是这么神奇。1974年,罗杰·彭罗斯创造出一套具有革命意义的贴砖样式,仅使用两种形状,就能够以永不重复的方式铺满在无穷平面上。作为一个大胆而热情的学者,相比单一重复的形状,彭罗斯对无穷的变化更感兴趣。他对“非周期”类型的瓷砖充满热情,这种类型的贴砖可以整齐地放入无限个平面而不会产生重复的图案。

据我们所知,瓷砖都是长方形或正方形的,因为我们可以用这些砖将整个地面铺满。可以用于贴砖的还有正三角和正六边形,这些贴砖贴出的图案有一个共同点,就是不但具有一定的对称性,还有周期性。有些特别的贴砖不仅可以用来贴满平面,贴出来的图案有很多种,而且不可能具有周期性,这类贴砖叫做非周期贴砖。在彭罗斯之前,通常的一组非周期贴砖含有很多不同的形状,彭罗斯发现以他的名字命名的只有两个形状的贴砖的时候,最好的非周期贴砖也含有六种不同的形状。这两种形状就是风筝和飞镖。

它们都能够被对称轴切成两半,表面上有两条简单对称的线。彭罗斯制定了一个平铺规则:一个合格的拼贴,其表面必须能够连接弧形成一个连续的曲线。没有这个规则,风筝和飞镖所形成的图案将会重复;遵守这个规则的话,整个平面的图案永远不会有重复。风筝和飞镖围绕着五条对称的线不停地舞动,形成一个个像满天星、十边形的图案,又或者是像蝴蝶和花朵的形状。咋眼一看像是重复,但却不相同,充满了无穷的可能性。