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数学家传记

罗杰·彭罗斯Roger Penrose

出生
1931年8月8日 英格兰埃塞克斯郡科尔切斯特

罗杰·彭罗斯是一位英国数学家,在纯数学和宇宙学方面均有发表。他获得了2020年诺贝尔物理学奖。

完整传记

罗杰·彭罗斯的父母Lionel Sharples 彭罗斯和Margaret Leathes都受过医学训练。Margaret是一名医生,而Lionel是一名医学遗传学家,被选为皇家学会会士。他参与了一个名为Colchester调查的项目,旨在发现遗传因素还是环境因素在决定某人是否可能患有心理健康问题方面最为重要。彭罗斯出生时,他正在Colchester开展这项工作。彭罗斯的哥哥Oliver Penrose早两年出生。Oliver后来先后成为开放大学的数学教授,然后是苏格兰爱丁堡Heriot-Watt大学的数学教授。彭罗斯还有一个弟弟Jonathan,后来成为心理学讲师。Jonathan在1958年至1969年间十次获得英国国际象棋冠军,许多人认为他是有史以来最有天赋的英国国际象棋棋手。

1939 年,彭罗斯 的父亲携家人前往美国,但由于所有迹象都指向战争爆发,他决定不与家人返回英国,而是接受了加拿大安大略省伦敦市一家医院的任命。彭罗斯 在安大略省伦敦市上学,但尽管正是在这一时期他首次对数学产生兴趣,激发这种兴趣的并不是他的学校教育,而是他的家庭。他写道([2] 或 [3]):-

我记得大约十岁时制作了各种多面体……

彭罗斯的父亲成为安大略省伦敦市安大略医院精神病学研究主任,但他对数学,特别是几何学非常感兴趣,而彭罗斯的母亲也对几何学感兴趣。彭罗斯的兄弟Oliver([2]或[3]):-

……比我大两岁,但在学校比我高四个年级。他很小的时候就对数学了解很多,并对数学和物理都表现出极大的兴趣。

1945年,第二次世界大战结束后,彭罗斯一家返回英国。彭罗斯的父亲被任命为伦敦大学学院人类遗传学教授,彭罗斯就读于伦敦的大学学院学校。然后他对数学的兴趣开始增加,但他的家人希望他追随父亲的脚步,从事医学事业。然而,正如当时学校的典型情况一样,在大学学院学校,生物学和数学是二选一的,学生必须选择其中之一([2]或[3]):-

……我记得有一次我们必须决定最后两年要学哪些科目。我们每个人都会一个接一个地上去见校长,他说:“那么,明年专攻时你想学什么科目?”我说:“我想学生物学、化学和数学。”他说:“不,那不可能——你不能同时学生物学和数学,我们没有那个选项。”由于我不想放弃数学,我说:“数学、物理和化学。”我回家时父母相当恼火;我的医学生涯一下子就消失了。

彭罗斯进入伦敦大学学院,由于他父亲是那里的教授,他有权免交学费。他获得了数学一等荣誉学士学位,然后决定去剑桥从事纯数学研究。他追随他哥哥Oliver的脚步,Oliver也在伦敦大学学院读了本科,并去了剑桥从事研究,但Oliver选择了物理。然而,彭罗斯决心从事数学研究,进入圣弗瑞兹·约翰学院后,他开始在威廉·瓦兰斯·道格拉斯·霍奇的指导下研究代数几何。然而,在剑桥学习一年后,他发现自己的兴趣与威廉·瓦兰斯·道格拉斯·霍奇的兴趣并不特别相关,于是将导师改为约翰·阿瑟·托德。彭罗斯于1957年因在代数和几何方面的工作获得剑桥大学博士学位,但此时他已经对物理产生了兴趣。他描述了在剑桥第一年参加的三门课程如何影响了他([2]或[3]):-

我记得参加了三门课程,没有一门与我本应做的研究有关。一门是赫尔曼·邦迪关于广义相对论的课程,非常引人入胜……另一门是Paul 保罗·狄拉克关于量子力学的课程,以完全不同的方式美丽……第三门课程……是Steen关于数理逻辑的课程。我了解了艾伦·图灵机和库尔特·弗雷德里希·哥德尔定理……

促使他对物理学产生兴趣的第一位重要影响者是他哥哥的一位物理学家朋友Dennis Sciama。彭罗斯说([2]或[3]):-

[Sciama]对我影响很大。他教了我大量物理学知识,做物理学的兴奋感从中透了出来;他就是那种人,能把物理学当前进展的兴奋感传达出来……

在剑桥攻读博士学位期间,他开始发表关于半群和矩阵环的文章。1955年,他在Proceedings of the Cambridge Philosophical Society上发表了A generalized inverse for matrices。在这篇论文中,彭罗斯将复矩形(或可能为方阵且奇异)矩阵AA的广义逆XX定义为方程组AXA=A,XAX=X,(AX)T=AX,(XA)T=XAAXA = A, XAX = X, (AX)^{T} = AX, (XA)^{T} = XA的唯一解。他用这个广义逆来解决诸如求解矩阵方程组、寻找一种新型谱分解等问题。他1955年的第二篇出版物是A note on inverse semigroups,发表在同一期刊上,与Douglas Munn合著。逆半群是群的一种推广,至今仍是许多研究论文的主题。这篇早期论文给出了几个等价定义。次年,彭罗斯发表了On best approximation solutions of linear matrix equations,其中利用矩阵的广义逆来求AX=BAX = B的最佳近似解XX,其中AA是矩形非方阵或方阵且奇异。

彭罗斯在1956-57学年担任伦敦贝德福德学院纯数学助理讲师,随后被任命为剑桥圣约翰学院的研究员。这是一个为期三年的职位,在此期间他于1959年与Joan Isabel Wedge结婚。在研究员职位结束前,彭罗斯获得了北约研究奖学金,使他能够在1959-61年期间在美国度过,先是在普林斯顿,然后在锡拉丘兹大学。回到英国后,彭罗斯在接下来的两年1961-63年担任伦敦国王学院的研究助理,然后返回美国,在1963-64年担任德克萨斯大学奥斯汀分校的访问副教授。

1964年,彭罗斯被任命为伦敦伯克贝克学院的准教授,两年后晋升为那里的应用数学教授。1973年,他被任命为牛津大学的Rouse Ball数学讲席教授,并一直担任此职,直到1998年成为荣休Rouse Ball数学讲席教授。同年,他被任命为伦敦格雷沙姆学院的格雷沙姆几何讲席教授。

从1959年开始,彭罗斯发表了一系列关于宇宙学的重要论文。第一篇是The apparent shape of a relativistically moving sphere,1960年他发表了A spinor approach to general relativity。后一篇论文被描述如下:-

对引力理论数学工具的一种优雅而详尽的阐述……重点在于波恩哈德·黎曼张量的几何理论。

除了关于宇宙学的重要论文外,彭罗斯继续发表纯数学论文。他与Henry Whitehead埃里克·克里斯托弗·齐曼一起在1961年发表了Imbedding of manifolds in euclidean space。除其他结果外,作者在这篇论文中证明了,如果0<2mn0 < 2m ≤ n,那么每个闭(m1)(m-1)-连通nn-流形都可以嵌入R2nm+1\mathbb{R}^{2n-m+1}中。这一次与阿伯拉罕·伊本·埃兹拉马克斯·纽曼一起,彭罗斯在次年发表了An approach to gravitational radiation by a method of spin coefficients,其中他们证明了:-

……双分量旋量形式导致考虑时空中的一个四元标架,它由两个实零矢量和两个复共轭矢量组成。

1965年,彭罗斯运用拓扑学方法证明了一个重要定理,该定理在他称为“陷获面存在”的条件下,证明了引力坍缩中必然出现奇点。基本上,在这些条件下时空无法延续,经典广义相对论失效。由于量子效应在奇点处占主导地位,彭罗斯寻求一种将相对论与量子理论统一起来的理论。正是由于对“黑洞”存在的这一预言,他在55年后被授予诺贝尔物理学奖。

彭罗斯的主要突破之一是引入扭量理论,试图统一相对论和量子理论。这是一个结合强大代数和几何方法的非凡数学理论。与Wolfgang Rindler一起,彭罗斯于1984年出版了Spinors and space-time的第一卷。这一卷涵盖了双旋量演算和相对论场,而第二卷涵盖时空几何中的旋量和扭量方法,于两年后出版。

彭罗斯也许最为人所知的是他撰写的一些杰出科普著作。他于1989年出版了The Emperor's New Mind : Concerning computers, minds, and the laws of physics。次年,该书获得了罗纳-普朗克科学图书奖。Sklar在评论该书时写道,其目的是:-

……阐述并批判性地抨击一种关于心智本质的近期观点……该观点将心智活动归结为执行一种算法过程,并提出一种更充分的心智理论必须建立在一种迄今尚不存在的、足以说明物质世界已知性质的物理理论之上。在论证过程中,以适合未受过专门训练但相当成熟的读者的水平,对广泛的主题作了优雅的阐述,从算法和抽象可计算性的本质,到不可判定性和不完全性的结果,经典物理学的基本结构,量子力学的基本结构和哲学谜题,熵不对称的基本特征及其与宇宙学结构的关系,对充分的量子引力理论的探索,直到神经解剖学的一些结果以及关于大脑功能的研究。

1994年,彭罗斯出版了Shadows of the mind : A search for the missing science of consciousness,该书继续发展The emperor's new mind的主题。1996年,彭罗斯和史蒂芬·霍金出版了The nature of space and time。这本书记录了1994年两人在剑桥大学艾萨克艾萨克·牛顿数学科学研究所进行的一场辩论。两人各作了三场讲座,交替进行,以便各自能回应对方的论点,然后在最后一场会议中,两人之间进行了一场辩论。我们引用彭罗斯的发言,因为他清楚地陈述了自己的立场以及史蒂芬·霍金的立场:-

在这场辩论开始时,Stephen说他认为自己是一个实证主义者,而我是柏拉图主义者。我乐于让他做实证主义者,但我认为这里的关键点毋宁说在于我是一个实在论者。此外,如果人们将这场辩论与大约七十年前尼尔斯·玻尔阿尔伯特·爱因斯坦的著名辩论相比较,我认为Stephen扮演的是尼尔斯·玻尔的角色,而我扮演的是阿尔伯特·爱因斯坦的角色!因为阿尔伯特·爱因斯坦主张应当存在某种类似真实世界的东西,不一定由波函数来代表,而尼尔斯·玻尔则强调波函数并不描述一个“真实的”微观世界,而只描述对作出预言有用的“知识”。

还有彭罗斯工作的另一个方面我们必须提及。这就是他在非周期镶嵌方面的工作,这是他在剑桥读研究生时开始感兴趣的一个课题。他最初的尝试取得了成功,但用了大量的瓷砖。经过多年的进一步工作,彭罗斯发现他可以用仅六块瓷砖找到非周期镶嵌,最终他以仅两块瓷砖找到了看似不可能的非周期镶嵌。所谓非周期,我们指的是这些镶嵌在任何平移下都不变。以下是该镶嵌的一些性质:在任何有限的镶嵌区域内,只有一种镶嵌是可能的;在平面的无限镶嵌中,任何出现的区域镶嵌都会在平面其他地方无限次重复出现,并且必须在你首次发现它的地方的两倍区域直径内再次出现。事实上,任何有限区域的镶嵌最终都会出现在每一个彭罗斯镶嵌中。

除了我们上面提到的彭罗斯的主要职位外,他还担任过一些访问和兼职职位。1966-67年和1969年,他在叶史瓦、普林斯顿和康奈尔担任访问职位。从1983年到1987年,他是休斯顿莱斯大学的Lovett讲席教授。然后他成为纽约锡拉丘兹大学的物理学和数学杰出教授,直到1993年,他成为宾夕法尼亚州立大学的Francis and Helen Pentz物理学和数学杰出教授。

彭罗斯因其贡献获得了许多荣誉。他于1972年当选为伦敦皇家学会会士,1998年当选为美国国家科学院外籍院士。我们提到了他因《皇帝新脑》获得的科学图书奖(1990年),但这只是众多奖项之一。其他奖项包括剑桥大学的约翰·柯西·亚当斯奖;沃尔夫物理学基金会奖(与Stephen史蒂芬·霍金共同获得,表彰他们对宇宙的理解);美国物理学会和美国物理联合会的Dannie Heinemann奖;皇家学会皇家奖章;英国物理学会的保罗·狄拉克奖章和奖章;Royal Astronomical Society的亚瑟·爱丁顿奖章;London Mathematical Society的Naylor奖;以及阿尔伯特·爱因斯坦学会的阿尔伯特·爱因斯坦奖和奖章。1994年,他因对科学的贡献而被授予爵士称号。

2000年,他获得了功绩勋章。2004年,London Mathematical Society授予他奥古斯塔斯·德摩根奖章。部分引文如下:-

他在广义相对论方面的深入工作是我们理解黑洞的一个主要因素。他发展的扭量理论为数学物理的经典方程提供了一种优美而富有成效的方法。他的平面镶嵌是新发现的准晶体的基础。

Royal Society于2005年授予彭罗斯他们的Copley奖章。公告如下:-

彭罗斯,OM,FRS因其对几何学和数学物理的杰出贡献而被授予皇家学会的Copley奖章,这是世界上最古老的科学成就奖。牛津大学数学荣休Rouse Ball讲席教授彭罗斯爵士在广义相对论和宇宙学方面做出了杰出贡献,最著名的是他在黑洞和大爆炸方面的工作。

Royal Society主席彭罗斯解释了彭罗斯的杰出贡献,这些贡献使他获得了该奖项:-

彭罗斯半个世纪以来一直在提出原创且重要的科学思想。他的工作以非凡的几何和物理洞察力为特征。他将新的数学技术应用于阿尔伯特·爱因斯坦的理论,并引领了20世纪60年代引力理论的复兴。他关于空间和时间的新颖思想以及他的‘扭量’概念正日益具有影响力。甚至他的娱乐活动也产生了智力影响:例如,在莫里茨·科内利斯·埃舍尔的艺术作品中普及的‘不可能图形’,以及‘彭罗斯铺砌’的永不重复图案。他通过讲座以及他的畅销且内容广泛的书籍影响和激励了广大公众。

在接受该奖项时,彭罗斯说:-

获得皇家学会的科普利奖章对我来说完全是个惊喜。这是一项非凡的荣誉,这是皇家学会最古老、最杰出的奖项,首次颁发恰好在我出生前200年。我的名字被添加到那份极其杰出的往届获奖者名单中,我感到非常谦卑。

多所大学授予彭罗斯荣誉学位,包括新不伦瑞克大学(1992年)、萨里大学(1993年)、巴斯大学(1994年)、伦敦大学(1995年)、格拉斯哥大学(1996年)、埃塞克斯大学(1996年)、圣安德鲁斯大学(1997年)、圣蒂尼克坦大学(1998年)、华沙大学(2005年)、鲁汶天主教大学(2005年)和约克大学(2006年)。他因预测黑洞的存在而获得2020年诺贝尔物理学奖。

参考文献

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