罗杰·潘洛斯

**羅傑・潘洛斯**爵士，OM，FRS（英語：Sir Roger Penrose，1931 年 8 月 8 日 —），英國數學物理學家與牛津大學數學系 W. W. Rouse Ball 名譽教授。他在數學物理方面的工作擁有高度評價，特別是對廣義相對論與宇宙學方面的貢獻。他也是娛樂數學家與具爭議性的哲學家。羅傑・潘洛斯是科學家理昂內・潘洛斯與瑪格麗特・雷瑟斯的兒子，為數學家奧利佛・潘洛斯與西洋棋大師強納森・潘洛斯的兄弟。

他因發現黑洞的形成是廣義相對論的確鑿預測而獲得 2020 年諾貝爾物理學獎。

## 早期生活和教育

羅傑・潘洛斯（Roger Penrose）生於艾塞克斯（Essex）的科赤斯特（Colchester），是瑪格麗特（Leathes）與精神病學家和遺傳學家萊昂內爾・潘洛斯（Lionel Penrose）的兒子。

潘洛斯小時候在加拿大度過了第二次世界大戰，父親在加拿大安大略省倫敦工作。 潘洛斯曾就讀於 University College School 和倫敦大學學院，並在那裡獲得了數學的一等學位。

## 研究

1955 年，潘洛斯在他還是學生之時重新發明了廣義逆矩陣（又稱作莫耳 — 彭若斯廣義逆（Moore-Penrose inverse）。

1958 年，潘洛斯在劍橋大學於知名代數學家與幾何學家約翰・陶德（John A. Todd）指導下獲得博士學位；其博士論文題目為《代數幾何學中的張量方法》（_Tensor methods in algebraic geometry_）。1965 年，潘洛斯與物理學家史蒂芬・霍金在劍橋大學證明了奇異點（例如黑洞）可以從毀壞中的巨星體的重力塌縮現象中形成。

1967 年，潘洛斯發明了扭量理論，將閔可夫斯基空間中的幾何物體映射到四維複空間，此空間度規標誌為（2,2）。於 1969 年，他推測出宇宙審查假說。這項提案（相當非正式地）指出了宇宙阻擋我們了解奇異點（例如黑洞）內稟的不可預測性，以其被遮掩在我們視線之外。這個形式現在稱作**弱審查假說**；於 1979 年，潘洛斯建構了更強的形式，稱作**強審查假說**。加上 BKL 猜想與非線性穩定性問題，使得審查猜想成為廣義相對論中最重要的未決問題之一。

羅傑・潘洛斯以其於 1974 年發現潘洛斯鋪磚法著稱，能以兩種磚片非週期性地鋪滿整個平面。類似特徵於 1984 年在類晶體中的原子排列中被發現。他最重要的貢獻可能是他在 1971 年發明了自旋網路，爾後在迴圈量子重力理論中成為構成時空幾何的基礎。他在推廣通稱為潘洛斯圖的因果圖頗具影響力。

1983 年，當時的教務長比爾・戈登（Bill Gordon）邀請潘洛斯在休斯敦的萊斯大學（Rice University）任教。 從 1983 年到 1987 年，他在那裡工作。

## 後來的活動

2004 年，潘洛斯發表了《接近真實：宇宙法則導引》（_The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe_），是一本 1,099 頁的書籍，目標在於對物理定律給予詳盡的指導。

潘洛斯是賓夕法尼亞州立大學的弗朗西斯和海倫・彭茨（Helen Pentz）傑出的物理學和數學客座教授。

## 物理與意識

潘洛斯撰寫了探討基礎物理與人類（或者動物）意識之間聯繫的一些書籍。在《皇帝新腦》（1989）一書中，他聲稱已知的物理定律不足以解釋意識現象。潘洛斯提議新物理學所具有的特性應該能填補古典物理學和量子力學（他本人稱之為_正確的量子引力理論_）之間的理論溝壑。潘洛斯使用圖靈的停機問題的變體（比如，考慮只有 ON 和 OFF 兩個狀態的機器，當給定的圖靈機停機時，系統狀態被置為 ON；當圖靈機運行時，系統則被置為 OFF。如此，系統狀態將完全取決於圖靈機本身。但是並沒有算法上可行的方法來確定圖靈機是否停機）來說明一個確定性的系統並不需要一定是圖靈可計算的（從算法角度講可進行有效計算的）。

潘洛斯相信這種確定性和非算法性共存的計算過程或許在量子力學波動方程式的推導中起到作用，甚至可能在智能的產生中具有作用。他認為作為一種算法確定性的系統，當前的電子計算機無法產生智能。他反對認為大腦的推理過程是完全的圖靈可計算的觀點（若此則大腦可被足夠複雜的電子計算機複製）。潘洛斯的這方面觀點與強人工智慧支持者的觀點相左，後者即認為思維可用算法模擬。為了駁斥後者的觀點，潘洛斯聲稱意識是超越數理邏輯的，因為諸如停機問題的不可解性質和哥德爾不完備定理導致基於算法的邏輯系統不能產生具有人類智能特性的智能（比如，對數學的洞見）。這些說法最早得到了牛津大學莫頓學院的哲學家約翰・盧卡斯（John Lucas）的支持。

潘洛斯和盧卡斯關於哥德爾不完備定理在人類智能的計算理論方面所具有的含義的觀點受到了來自數學家，計算機科學家和哲學家的廣泛批評。儘管不同領域的專家會從不同的方面進行批評，但上述領域的專家們一致認為潘洛斯 / 盧卡斯的觀點是不成立的。來自馬文・閔斯基（人工智慧的主要支持者）的批評尤其激烈：潘洛斯「一章接一章的試圖說明人類意識不能基於任何已知的科學原理。」閔斯基的立場與此完全相反 —— 他相信本質上來說人類就是機器：雖然這種機器的功能很複雜，但使用現有的物理學是完全可解釋的。閔斯基如此評價潘洛斯：「在科學探索的道路上，僅靠攻擊現有的科學知識將無法獲取新的原理。但在我看來，這就是潘洛斯的探索手段。」

作為對《皇帝新腦》所受到的負面評價的回應，潘洛斯隨後出版了《意識的陰影》（Shadows of the Mind, 1994）和《龐大，渺小，及人類意識》（The Large, the Small and the Human Mind, 1997）。在這些書中，他還引用了來自麻醉專家史都華・哈默洛夫的觀察。

潘洛斯和史都華・哈默洛夫認為意識是微管中量子引力效應的結果。該過程被他們稱為 Orch-OR（orchestrated objective reduction，暫譯：諧客觀化歸）。此後，在《物理評論 E》上，馬克斯・泰格馬克發文指出，微管中神經元激發和興奮的時間尺度以最少 10,000,000,000 倍的因子慢於量子去相干時間。馬克斯・泰格馬克的論文受到了廣泛接受，有文章如此總結：「沒有捲入這場爭鬥的物理學家們 —— 比如 IBM 的 Jone A. Smolin—— 認為文中的計算解決了長久以來的懷疑。『我們擁有的並不是一顆接近絕對零值的大腦。從合理性上來講人類大腦不可能以量子方式進化』」。馬克斯・泰格馬克的論文被潘洛斯 - 哈默洛夫的批評者們廣泛引用。

物理學家 Scott Hagan、Jack Tuszynski 和史都華・哈默洛夫也在《物理評論 E》上發文回應馬克斯・泰格馬克，聲稱馬克斯・泰格馬克檢驗的並不是 Orch-OR 模型，而是他自己構造的模型：馬克斯・泰格馬克的計算中涉及的量子疊加態（the superpositions of quanta）以 24 奈米分隔，而非 Orch-OR 所要求的小的多的分隔。按照 Orch-OR 規定的量子疊加態進行運算之後，史都華・哈默洛夫的團隊宣布新的量子去相干所需的時間尺度要比馬克斯・泰格馬克的結果大 7 個級數。但這個結果依然比所需的時間少了 25 毫秒 —— 如果想要使量子過程如同 Orch-OR 所描述的那樣，能夠和 40 赫茲的伽瑪同步產生關聯的話。為了彌補這一環節，史都華・哈默洛夫等人做了一系列假設和提議。首先他們假設微管內部可以在液態和凝膠態之間互相轉換。在凝膠狀態下，他們進一步假設水的電雙級會沿著微管外圍的微管蛋白同向排列。史都華・哈默洛夫認為這種有序排列的水將會屏蔽微管蛋白中任何量子去相干過程。每個微管蛋白還會從微管中延伸出一條帶負電荷的「尾巴」，從而可以吸引帶正電荷的離子。這可以進一步屏蔽量子去相干的過程。除此之外，還有推測認為微管可在生物能的驅使下進入相干態。

最終，有建議認為微管的構造或許適用於量子糾錯（quantum error correction），一種可將量子相干性和環境交互能力結合起來的手段。在最近的十年裡，一些同情潘洛斯的研究者提出了若干適用於微管量子過程的替代方案。這些方案認為微管蛋白的「尾巴」可以和微管相關的蛋白質（motor proteins 和 presynaptic scaffold proteins）發生作用。這些提議的優勢在於可在馬克斯・泰格馬克的量子去相干時間尺度內發生。

史都華・哈默洛夫在 Google Tech 關於量子生物學的系列講座中給出了該領域近期研究的總結，結果再次招致對 Orch-OR 模型的批評。除此之外，潘洛斯和史都華・哈默洛夫在一篇發表於 2011 年的論文中，參考之前所受到的批評，給出了 Orch-OR 理論的修改模型；該論文還探討了意識在宇宙中占有的地位。

儘管作為潘洛斯觀點的支持者，但根據閔斯基和科學專欄作家查爾斯・塞費（Charles Seife）的評價，Phillip Tetlow 依然認為潘洛斯關於人類意識過程的看法在科學界屬於「少數派觀點」。Seife 把潘洛斯描述成「一小撮相信意識的本質是量子過程的科學家」之一。

2014 年 1 月，史都華・哈默洛夫和潘洛斯主張，日本物質材料研究中心的博士 Anirban Bandyopadhyay 所發現的微管中的量子振盪證實了 Orch-OR 假說。這個理論的修訂更正版伴隨著批評和辯論發表在《_Physics of Life Reviews_》。

## 宗教信仰

潘洛斯是一個無神論者。在紀錄片時間簡史（_A Brief History of Time_）中，潘洛斯說道：

> 「我認為宇宙是有目的的，它的出現不可能是機緣巧合…… 有些人認為宇宙_就是會_存在，而且_就是會_運轉 —— 有點類似某種計算過程，然後我們不知道怎麼的，就意外出現在宇宙中。但是我認為在看待宇宙的問題上，這些看法並不具有建設意義，我認為關於宇宙一定有什麼更深刻的東西。」
> 
> 

潘洛斯還是英國人道協會的傑出支持者。

## 獲獎

羅傑・潘洛斯因對科學的貢獻獲頒多個獎項。

* 1971 年，丹尼・海涅曼數學物理獎
* 1972 年，皇家學會會員；
* 1975 年，愛丁頓獎章 (他與史蒂芬・霍金共同獲獎)
* 1985 年，皇家獎章
* 1988 年，沃爾夫物理學獎 (他與史蒂芬・霍金共同獲獎)
* 1988 年，狄拉克獎
* 2000 年，功績勳章 (英國)
* 2004 年，德摩根獎章
* 2005 年，波蘭華沙大學與比利時荷語天主教魯汶大學兩所大學的榮譽博士學位（Honoris Causa）。
* 2006 年，狄拉克獎（來自新南威爾斯大學）
* 2008 年，科普利獎章，和科睿唯安引文桂冠獎
* 2020 年，獲得諾貝爾物理學獎並得到一半的獎金，授與原因為他發現黑洞的形成是廣義相對論的有力預測。

## 著作

* Penrose. Techniques of Differential Topology in Relativity. Society for Industrial & Applied Mathematics. 1972. ISBN 978-0-89871-005-2.  (rare)
* Penrose, Roger; Rindler, Wolfgang. Spinors and Space-Time: Volume 1, Two-Spinor Calculus and Relativistic Fields. Cambridge University Press. 1987 (reprint). ISBN 978-0-521-33707-6.  (paperback)
* Penrose, Roger; Rindler, Wolfgang. Spinors and Space-Time: Volume 2, Spinor and Twistor Methods in Space-Time Geometry. Cambridge University Press. 1988 (reprint). ISBN 978-0-521-34786-0.  (paperback)
* Penrose. The Emperor's New Mind: Concerning Computers, Minds, and The Laws of Physics. Oxford University Press. 1989. ISBN 978-0-14-014534-2.  (paperback)
* Penrose. Shadows of the Mind: A Search for the Missing Science of Consciousness. Oxford University Press. 1994. ISBN 978-0-19-853978-0.  (hardback)
* Hawking, Stehpen; Penrose, Roger. The Nature of Space and Time. Princeton University Press. 1996. ISBN 978-0-691-03791-2.  (hardback) ISBN 978-0-691-05084-3 (paperback).
* Penrose, Roger; Shimony, Abner; Cartwright, Nancy; Hawking, Stephen. The Large, the Small, and the Human Mind. Cambridge University Press. 1997. ISBN 978-0-521-56330-7.  (hardback), ISBN 978-0-521-65538-5 (paperback), Canto edition: ISBN 978-0-521-78572-3.
* Penrose. The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe. London: Jonathan Cape. 2004. ISBN 978-0-224-04447-9.  (hardcover), ISBN 978-0-09-944068-0 (paperback).

## 相關條目

* 潘洛斯不等式
* 潘洛斯三角形
* 潘洛斯階梯
* 潘洛斯圖
* 潘洛斯圖形符號
* 潘洛斯鋪磚法
* 威爾曲率假設
* 抽象指標記號
* 平行宇宙
* 協調客觀還原

## 注釋

## 參考文獻

## 延伸閱讀

* Ferguson, Kitty. Stephen Hawking: Quest For A Theory of Everything. Franklin Watts. 1991. ISBN 978-0-553-29895-6.
* Misner, Charles; Thorne, Kip S. & Wheeler, John Archibald. Gravitation. San Francisco: W. H. Freeman. 1973. ISBN 978-0-7167-0344-0. ; see _Box 34.2_.

## 外部連結

* Two theories for the formation of quasicrystals resembling 潘洛斯鋪磚法
* Tegmark, Max. 2000. "腦部程序中量子脫散的重要性 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）". _Physical Review E_. vol 61. pp. 4194-4206.
* Hagan, Hameroff, Tuszynski: 量子脫散的爭論 - "Biological feasibility of quantum states in the brain"
* Tegmarks's rejoinder to Hagan et al （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Toilet Paper Plagiarism （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）