本文根据访谈视频 Oxford Mathematics Interviews "Extra Time: Professor Sir Roger Penrose in conversation with Andrew Hodges" (http://www.maths.ox.ac.uk/node/910) 整理翻译而成(译者:黄双林),刊登于“数学与人文”丛书第 25 辑《百年广义相对论》(2018 年)。
罗杰·彭罗斯肖像油画(图像来源:广东蕉岭丘成桐国际会议中心)
第一部分
Andrew Hodges(以下简称 H):Roger,非常高兴能以这样一个正式访谈的形式跟你对话,特别是,我跟你认识都有四十二年了吧?
Dennis Sciama 是我在剑桥时的一位很好的朋友,或者应该说,我们在更早的时候就是好朋友了。他是位宇宙学家,追随的是当时流行于剑桥的稳恒态宇宙学模型。Bondi 和 Hoyle 作为这个模型的提出者,当时也在剑桥。Dennis 非常推崇这个模型,而我也觉得它非常有趣、激动人心和哲学上令人满意:宇宙一直存在着,没有什么开端,而它的膨胀则被持续不断产生的新物质所补偿。后来我开始不满意这一模型,因为这些规则很难跟广义相对论相融合,而要让我在广义相对论跟静态宇宙学模型中二选一的话,我肯定是选广义相对论的。不管怎么说,Dennis 跟我的友谊对我是十分重要的,我从他那里学了好多物理知识。
你看,作为一个纯数学的研究生,我起码去上了三个非纯数学的讲座课程。当然,我去听的很多纯数学课程对我都是很重要的,我记得有 Philip Hall 的课,还有 Shawn Wiley 讲得非常好的拓扑课程,等等。但我也参加了一些跟我的研究计划没什么明显关联的课,其中就有 Hermann Bondi 的“宇宙学中的广义相对论”,讲得非常流畅,非常精彩。狄拉克(Dirac)的量子力学课同样令人赞叹,但其原因则完全不同,他是将所有东西按逻辑组织得井井有条。很多同事告诉我说,这不就是他书里写的那些吗?但你看,我还没看过他的书呢,所以他所做的工作之优雅是我在上课时领略到的。这课对我很重要还有一个原因。第一学期讲的是标准的量子力学,第二学期讲的是量子场论,然后在讲量子场论的时候,不知道出于什么原因,兴许是 Dennis 找狄拉克谈过,他用了一个星期专门讲二分量旋量。我那时一直在试图理解二分量旋量,看了一些书,可我觉得里面写的都说不通。但狄拉克给的那两次讲座真是堪称完美,让整个问题变得一目了然。这事说起来还有点讽刺,因为大家通常认为狄拉克是四分量旋量的代言人,但事实上他不仅理解二分量旋量,他还用这个形式发展了他的方程的更高旋量版本。在我看来他的方法绝对是正确的。
P:我想我是忽视了它。是这样的,Dennis 一直想让我对物理感兴趣。在进剑桥之前,在 Fred Hoyle 的一个关于稳恒态理论的精彩讲座上,我就跟 Dennis 有过交流。我没太听懂这个讲座,但我得以跟 Dennis 聊天,他是我哥哥 Oliver 的朋友,在我去之前很多年他也在剑桥。从那时起我跟 Dennis 之间建立了友谊,他一直想让我去做物理,发展对物理学的兴趣甚至将专业改成物理。
当然我并没有这么做,因为那时有太多的数学问题是我所参与和感兴趣的:一般的张量系统,几何的想法,等等。还有很多数学理念是我当时本该学到的,其中有一个就是层的上同调。以前它们被称作 Stacks,但那时逐渐被称作 sheaves(层),整件事情让我感到迷糊。直到好多年以后,当 Michael Atiyah 把所有这些事情都梳理清楚了,我才意识到我要是给予了这个问题足够多关注的话,里面有些东西本可以对我非常有用的。
P:那时的情况也许有所不同。你看,我一开始是跟随霍奇,而霍奇还有另外几个学生,其中一个很早就放弃了,另一个是 Michael Hoskin ,他后来获得了博士学位但转向了科学史领域。还有一个是 Michael Atiyah。霍奇曾经建议说,既然我对他给我的非常代数的问题有点不喜欢,那我也许可以去旁听另一个学生的课。结果我一点也没听懂,但那就是 Michael Atiyah 的风格。我后来跟他成了很好的朋友。
P:有件事很让我忧心,那就是人们总在说,量子力学告诉我们图像不再有用了,我们埋头计算就好,把图像忘了吧。我从未对此感到满意过,因为我总是想尽力图像化一样东西。当然,对于自旋,旋量等想法对于尽力发展几何观念是很有用的,但量子力学是有一些很古怪的地方的。我在“Shadows in the Mind”这本书里 讲过,我认为量子力学的神秘之处可以一分为二,而人们总是弄混这二者。第一种我称之为“谜题”性的神秘,它哪里都对却又令人疑惑,但说到底是可以被人理解的。我是说,跟我们原本以为的世界确实不太一样:自旋的行为不像一个小球绕着轴旋转,它是一种更精微的事物,但还是可以被我们理解,是前后一致,能够讲得通的。不仅讲得通,它还很 美妙。另外一种我称之为X型的神秘,X这里代表“悖论”,就像薛定谔的猫。量子力学告诉你,通过一个并不十分困难 的实验,你可以将猫置于死掉和活着的叠加态,虽然这对猫不太友好。所以薛定谔差不多是在说,看,根据我的薛定谔方程,你可以有只既死又活的猫哦。这完全说不通嘛,你没见过这样的猫的。因此,尽管他从没明确这么说过,但对我来讲他是想表明,我们肯定是漏掉了什么东西,理论中有些什么地方不对。爱因斯坦也这么认为。令人惊讶的是,狄拉克也是。尽管狄拉克很少说起,但他对此其实是有更多的看法的。他在讲座里就明确地说过,可以在网上找得到。对了,他针对玻尔-爱因斯坦争论说过,虽然玻尔(Bohr)通常被认为赢得了争论,但时间也许会告诉我们,爱因斯坦的想法中正确的成分更多一些。
P:必须要衰变,否则它就会累积起来,然后一个世代接着一个世代地累积,作为波传播下去。有一些不是很强的衰变证据,我听说过两个。其中一个来自 Steven Weinberg 的讲座,他似乎表示暗物质在早期宇宙中的比例要高于现在的比例。这些都不一定是正确的,被我取用是因为它们有几分契合我的想法。我听到的另外一个证据是,在星系中心附近观测到了正电子。
P:他们声称看见了光子的 B 模偏振,这也许真是正确的。结论的前提是,你看见的这些不能来自于纯粹的电场,必须还要有磁场存在。Paul Todd 2014 年早些时候跟我谈起过原初磁场的生成问题,在通常的宇宙学模型里它们从何而来是个难题。你很明显地看见,磁场存在于星系之间的空旷中,但它们到底是怎么出现的呢?一般观点认为,它们肯定是从大爆炸一开始就在那里了,这样一来就有了 B 模偏振。这里的关键不在于 B 模是暴涨的决定性证据,而在于说明了原初磁场的存在。根据 Paul 给我的建议,这些原初磁场可以与 CCC 框架相容,因为本身有磁场附着在星系团上,世代交替界面上与星系团接触的位置便会留下磁场。当我最近听到大家都在讲 B 模偏振似乎证实了暴涨理论时,我是有些惊慌的,因为这会否定掉 CCC。由于诸多原因,暴涨理论跟 CCC 是不相容的。然后我就想,也许声称看到的这些东西确实就是该出现呢。
我的同事 Vahe Gurzadyan 最先发现了微波背景辐射中同心圆结构的证据。当星系团中发生黑洞碰撞的时候,会“砰”地一下产生一个圆环,不久之后,又“砰”地一下产生另一个圆环。它们总是同心圆,原因是它们的中心点肯定是星系团的最终位置。他看到了至少三个圆环,沿着圆环的温度变化与平均值相比明显要平缓一些。他还声称观测到了圆环结构在整个天空范围内如何变化的迹象,有些位置很多,有些位置则几乎没有。当我听到 B 模偏振被观测到的消息后,就给他发了 E-mail,问他“你所说的结构出现在什么位置?能指出具体位置吗?”他在 Planck Map 上画了个圈,告诉我“就在这里”。我看着他的图,但什么也没发现。我想,这太糟了。Planck 的数据是近期的,而他做出发现时用的是以前 WMAP 的图,所以我回头去看 WMAP,在同样的位置,在正中间明白无误地有三个圆环。我给他发了 E-mail,问他我为什么在 Planck 的数据里看不到。他让我在稍低一些的信号上去找,然后我就看见了,它们准确无误地出现在那里。此外,如果 B 模真的是磁场,而且这些圆环的确来自上一个世代的星系团,根据几何考虑,它们必须在边缘,在过去光锥与星系团的交汇处,进而它们的温度必须是平均值。离我们远的那些,信号朝我们冲过来,所以温度高一些;近处的那些,信号在远离我们,所以温度低一些。刚好在边缘的那些就会是平均温度。我看着这些圆环,它们的颜色是绿色,说明它们正在中间。这是件令人兴奋的事情,看来我们可以对能看见 B 模的具体位置做出一些预测。当然,我们早就做出预测了,不过那时还没有 Planck 的数据。如果这是正确的,该算是 CCC 构想的第二个可观测的性质了,但连第一个都几乎没有人注意到,它差不多是完全被忽视了。
H:2013 年 9 月这一点又得到了令人兴奋的证实。
P:是的。Krzysztof Meissner 作了一个精彩的报告,他也发现了这些圆环的显著证据。给出的分析和解释与 Vahe Gurzadyan 的很不一样,但看到的是同样特征的东西。但是又一次地,这些也没有得到什么关注。
H:进入下一个话题吧,关于你的预测。你对大脑的生物学结构对量子力学的依赖的证据是怎么看的?
P:最近是有不少有趣的事情出现。首先,我说明一下,在我写《皇帝新脑》这本书的时候,是希望在书的最后部分,我能对量子力学如何与大脑活动相关有所领悟,但并未如愿。我算是挖下了一个大坑,不过它还是产生了一些有益的结果。我原本是想让这本书激发年轻人去做物理,但给我来信的却多是年长退休人士,或是处于这个话题的另外一端的人,比如 Stuart Hameroff。他看了我的书,然后在信中说:“你可能不知道微管这种东西吧!”出于我的无知,我那时还真没听说过微管。它们一般在细胞中起着各种各样作用,在染色体分离的时候,就是微管在进行牵引。但至少据 Stuart Hameroff 所说,它们在大脑意识方面扮演特殊角色。作为麻醉师,Stuart 的专业工作是使人入睡。但跟他的多数同事不同,他不只关心让人睡着,他还关心自己归根结底是做了什么才让人睡着的。他告诉我现在有很好的证据表明,通常的麻醉剂会直接作用于微管,证实了他一直持有的猜测。
这些纳米尺度的微管存在于几乎所有的身体细胞,包括神经元里。我们的论断是,它们在神经元中所起的作用有所不同,并且对意识的存在有至关重要的作用。有一些实验可以追踪意识出现的位置,也就是脑部的哪些部位参与了意识活动。对于从计算角度对意识的解释,有一个问题困扰了我很长时间,那就是小脑占有着脑部大概一半的神经元,而且其中神经元的连接远多于大脑皮层,但小脑似乎全无意识,大脑才是意识的源头。新的发现跟锥体细胞(Pyramidal Cell)有关,这名字大概是因为其金字塔状的外形。它们不存在于小脑中,而是存在于脑部其他位置,并且所在位置被确认为意识的主要源头。另外,它们含有丰富的微管。这个有趣的进展,某种程度上改变了整个图景。小脑为何不是意识的源头是我一直关心的问题,而它不含锥体细胞可能就是问题的关键。另外一个重要的进展来自于印度学者 Anirban Bandyopadhyay 与同事在日本所做的实验。实验内容是测量单个微管对特定频率的阻抗。他们发现,微管在某些特殊频率下的导电性极好,与经典情况下的导电性很不一样。