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下面這張圖片展示的內容看起來讓人感到奇怪，如果這樣的圖形真實存在會是什么樣子？因為無論從哪個角度出發，最終都會無可避免地出現循環，并且這個循環沒有終點也不會結束。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學物理學家羅杰·彭羅斯在1954年創作，對循環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論預言的正確性，同時在他自己提出的循環宇宙論中得到了進一步解釋。 根據他的相關理論，宇宙起源或許并不是那么簡單，而且原有的大爆炸理論極有可能被改寫，因為宇宙在循環的證據已經被找到。這聽起來十分不可思議，但究竟什么是循環宇宙？羅杰斯教授又是如何提出這個理論的？這在當代物理界會造成怎樣的影響？  本文將從共形循環宇宙學、霍金輻射、彭羅斯圖以及廣義相對論等多個方面來解答這些問題，接下來一起看看這位諾獎得主彭羅斯是如何找到相關證據的？ 新宇宙框架關于宇宙起源的新解釋，一切都和黑洞有關。愛因斯坦提出了廣義相對論，但是他本人并不相信黑洞的真實存在，它應該只是一個物理模型。當然，我們現在已經知道，黑洞確實存在，看不見是因為奇點的存在。 1963年，以俄國科學家艾薩克·卡拉特尼科夫為主導的研究小組發布了一篇關于奇點的物質。不過關于奇點的描述，他們認為奇點不是物質宇宙的一部分。  彭羅斯的直覺告訴他，俄國研究小組可能錯了。為了證明自己的奇點理論，彭羅斯在1965年發表了自己關于宇宙奇點的認識。不過相關的理論并沒有得到當時主流學界的認可，一直到70年代，這一情況才有所突破。 奇點理論的研究給彭羅斯帶來了新的靈感，在引力坍縮的局部背景下，彭羅斯開展了更大膽的想象。彭羅斯和霍金的合作進一步完善了奇點理論，最后才讓公眾認識到奇點的影響有多大，并且它是真實存在于黑洞之中的。  這一階段或許并沒有得到什么突破性的進展，但彭羅斯逐漸在相關的研究中以數學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誤導性，但實際上這是一張二維的圖形，通過對無窮大的“保形處理”（一種數學手段）來捕捉時空中不同點之間的因果關系。 與其他物理坐標系不同的是，彭羅斯圖引入了一個通過縮小或壓縮更遠距離來表示遙遠時空的系統。所以，恒定時間的直線和恒定空間坐標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，點和邊界代表時空的“共性無限”。正是這方面的研究才駁定了俄國科學家的理論，而彭羅斯圖常用來說明包含黑洞的時空因果結構。總體來講，關于黑洞的初步探索給后來的理論樹立了一個基本框架。 宇宙在不斷循環？進入21世紀，人們幾乎都接受了宇宙大爆炸理論，黑洞和奇點也被證明是存在的，但沒人能夠看到黑洞真實的樣子。2010年，彭羅斯推廣了他基于廣義相對論框架下的宇宙模型，并根據宇宙微波背景輻射探測器收集到的數據，證明了我們現在的宇宙在大爆炸之前的早期宇宙。  一切的開始：大爆炸 共性循環宇宙的出現為人們展現了一種新的可能，彭羅斯認為宇宙通過無限循環的方式進行迭代，每次先前迭代的未來類時無限，也就是彭羅斯圖所想要證明的時空結果，都被確定為大爆炸奇點。  每一個時空代表一個大爆炸，隨后是無限的未來膨脹。同時，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未來的共形邊界。如果彭羅斯圖把表現為類時無窮并接近于零時，便會有效地將未來的共形邊界壓扁為共性規則的超曲面。  共形映射展示 彭羅斯由此研究得到了愛因斯坦方程的新解，并以此用來代表整個宇宙，而彭羅斯本人則稱之為“永恒邊界”。共性循環宇宙理論指出，所有大質量粒子最終都會從存在中消失，包括與所有其他粒子分離太遠而無法一起湮滅的粒子。  各種黑洞解的彭羅斯圖 在物理方面，玻色子會遵循共性不變的量子理論。對于這樣的粒子來說，永恒之間的邊界就不再是邊界，而是一個可以像其他任何東西一樣穿過的空間表面。 此外，費米子仍然被限制在一個給定的時間范圍內，以此為黑洞信息悖論提供了一個解決方案。根據彭羅斯的說法，黑洞在蒸發的過程中，費米子必須不可逆轉地轉化為輻射，以保持永恒之間邊界的平滑度。  關于黑洞信息悖論 共形宇宙與宇宙微波背景之間的研究讓彭羅斯對大爆炸和宇宙暴漲論提出了質疑。如同剛才我們所講，永恒循環開始和結束，最終都會被超大質量黑洞吸收，并通過霍金輻射蒸發消失，為下一次大爆炸奠定基礎。  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證檢驗。早期的實證檢驗階段并不順利，相關的統計數據仍然差很多。理論在后來有了新的補充，彭羅斯理論的程序模擬得到了較為合理的結果。 黑洞視界的一種可能預測 彭羅斯的理論關鍵在于如何通過霍金輻射來驗證整個理論系統，直到2019年的新發現，才最終為2020年的獲獎一錘定音。 黑洞照片揭示真相諾貝爾獎并不只是彭羅斯一個人的成果，另外還有安德里亞·蓋茲領導的天文學小組。從1990年開始，他們便一直專注在銀河系中心的人馬座A*的區域進行觀察。 相關的觀察結果與其他天文小組相同，他們都發現了銀河系中一個超大質量但又看不見的物體，它拉動著雜亂的恒星運動。而它大約有400萬個太陽質量，并且這些質量聚集在比太陽系還小的區域內。 人馬座A*示意圖 這極有可能是一個黑洞，為了拍攝這個黑洞，科學家利用網絡數據和世界各地的巨型望遠鏡組建了一個“事件視界望遠鏡”。最終這個黑洞的真面目被人們發現，而這也是歷史上人類真正第一次拍攝到黑洞的照片。 彭羅斯的共形循環宇宙的關鍵證明點就是遠古黑洞蒸發的參與信號，此次發現的銀河系中心黑洞歷史足夠久遠，并且能為相關理論做出支持。 黑洞真正的樣子 黑洞的發現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。超大質量黑洞的霍金輻射蒸發很有可能是宇宙循環的證據，因為它在為下一次大爆炸做準備。 彭羅斯和安德里亞此次的發現或許會改寫人們對宇宙的看法，盡管有相關的科研團隊在之前提出了質疑，認為彭羅斯的宇宙不能解釋“尋找別處效應”。但今天的發現無疑是顛覆性的，至少從廣義相對論來講，彭羅斯的理論對黑洞的形成預測十分正確。 羅杰·彭羅斯 而另一方面，黑洞的新發現和觀察數據在未來還需要更多的研究，或許共形宇宙在未來會被徹底證明，如果是這樣，宇宙的每次循環就是新的開始。 |
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