不会设计错视图形的物理学家不是好诺奖得主？专家世家笑了

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。

他是诺贝尔物理学奖得主，但他对学界的影响远远不止这些

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）

把这种瓷砖铺满世界，图案也不会重复

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。

彭罗斯三角——"不可能" 三角形与阶梯

所谓的不可能物体，是指在现实世界中不可能存在的对象。它们只能存在于二维空间中。它是利用人类视觉系统的瞬时意识，将二维图形投射到三维空间中而形成的一种光学错觉。这么多年以来，心理学家、数学家和艺术家都对“不可能物体”感兴趣，因此它并不属于任何一门学科。

（不可能物体----立方体）

彭罗斯三角就是不可能物体的一种。它由瑞典艺术家奥斯卡·罗伊特斯瓦德于1934年首次创作。由英国数学家罗杰·彭罗斯和他的父亲莱昂内尔·彭罗斯设计并推广，并在1958年2月的《英国心理学杂志》上发表，被称为“最纯粹的不可能”。彭罗斯三角形看起来像一个固体，由三个长方体组合成一个三角形，但这两个长方体之间的夹角又似乎是一个直角。这所描述的特性并不能在正常的三维空间中的任何物体上实现。这样的物体只能存在于欧几里得三维流形中。

虽然彭罗斯三角形是一个不可能的物体，但三维的对象是存在的，当从一个特定的角度，能看到的图案是相同的彭罗斯三角形的二维图案。

（彭罗斯三角形建筑———澳大利亚·珀斯）

从彭罗斯三角形衍生出来的变体，彭罗斯阶梯，同样也是一个不可能物体，它是一个二维的描述楼梯，楼梯在上升或下降的时候有四个90度的转弯，但形成一个连续的循环，所以人们可以一直爬上去，永远不会再上升更高。这在三维欧几里得几何中显然是不可能的。

（彭罗斯阶梯）

整个家族都是专家，每位都在多领域有成就

罗杰·彭罗斯出生在一个学术世家。他爸爸是英国著名的精神病学家、医学遗传学家、儿科医生、数学家和国际象棋理论家。罗杰排行第二，有一个哥哥，一个弟弟，一个妹妹。虎父无犬子，罗杰的哥哥是英国理论物理学家，他的研究构成了今天对超流体和超导体的理解核心。罗杰的弟弟是英国国际象棋特级大师和国际象棋特级大师。他的职业是心理学家和大学讲师，拥有博士学位。罗杰的妹妹是英国遗传学家。

前文提到的彭罗斯三角形和彭罗斯阶梯，都是罗杰与他爸一起研究创作的。他的父亲，莱昂内尔·夏普斯·彭罗斯（Lionel Sharples Penrose），出生于1898年6月11日，1972年5月12日逝世，是英国著名的精神病学家、医学遗传学家、儿科医生、数学家和国际象棋理论家，在智力残疾的遗传学方面进行了开创性的研究。一开始是高尔顿优生学的教授，后来就任伦敦大学学院人类遗传学教授，随后被封为名誉教授。1928年，老彭罗斯与罗杰的母亲，玛格丽特·利斯（Margaret Leathes）结婚，育有四个孩子。

（罗杰的父亲）

罗杰的哥哥，奥利弗·彭罗斯（Oliver Penrose）出生于1929年6月6日，是英国理论物理学家， 他在开放大学工作了17年。从1986年到1994年退休，他一直是爱丁堡赫瑞瓦特大学的数学教授，随后被封为赫瑞瓦特大学的名誉教授，并一直在那里积极从事研究工作。他的兴趣领域包括统计力学，金属相变和表面活性剂的物理化学。他尤其以非对角长程序的概念而闻名，这是我们今天对超流体和超导体的理解的核心。他工作过的其他更抽象的课题包括理解时间方向的物理基础和量子力学的解释。

（罗杰的哥哥）

罗杰的弟弟，乔纳森·彭罗斯(Jonathan Penrose）1933年10月7日出生于英国科尔切斯特)，是一名英国国际象棋特级大师和国际象棋特级大师(1983年)，他在1958年至1969年间十次获得英国国际象棋冠军。他的职业是心理学家和大学讲师，拥有博士学位。

（罗杰的弟弟）

罗杰的妹妹，雪莉·维多利亚·霍奇森（Shirley Victoria Hodgson）于1945年2月22日出生，是英国遗传学家。霍奇森曾是一名医生，后来又在盖伊医院担任临床遗传学专家，她说她觉得这个学科“难以抗拒”。1983年至1988年，她成为南泰晤士区域遗传学中心临床遗传学高级注册主任和伦敦汉默史密斯医院名誉高级注册主任;1988-1990年在阿登布鲁克医院担任顾问遗传学家，领导了盖伊和圣托马斯医院的区域癌症遗传学服务。自2003年以来，她一直是伦敦大学圣乔治学院的癌症遗传学教授。她是皇家内科学会的会员，也是皇家生物学学会的会员，著有多篇学术论文和多部著作。

（罗杰的姐姐）

再往上追溯的话，罗杰的爷爷，詹姆斯·道尔·彭罗斯（James Doyle Penrose ）是一位爱尔兰画家，出生于1862年5月9日，在1932年1月2日逝世。于1903年10月15日被任命为剑桥郡副中尉。他娶了伊丽莎白·约瑟芬·佩克奥弗阁下，她是亚历山大·佩克奥弗男爵（银行家）的女儿，也就是罗杰的奶奶。

（罗杰的爷爷）

诺贝尔物理学奖是瑞典皇家科学院每年颁发给在物理领域为人类做出最杰出贡献的人的奖项。它是1895年阿尔弗雷德·诺贝尔遗嘱设立的五个诺贝尔奖之一，其他的分别是化学奖、文学奖、和平奖和生理学/医学奖。每年最多只能有三位诺贝尔奖得主和两种不同的作品被选为诺贝尔物理学奖。相比与其他诺贝尔奖，物理学奖的提名和选择的过程是漫长而严格的。这就是为什么多年来它的重要性不断增加，成为物理学中最重要的奖项的关键原因。

在关注每年诺奖得主的同时，不妨多去了解一下他/她们背后的故事，就像罗杰·彭罗斯，他除了为物理界做出巨大贡献，还利用自己的学识，在艺术界也留下浓墨重彩的一笔，把自己的天赋与兴趣一起发展，这大概就是对学术真正的热爱吧。

文 / 彭淑贤

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