羅傑·潘洛斯

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羅傑·潘羅斯
Roger Penrose
Roger Penrose-6Nov2005.jpg
攝於2005年
出生 1931年08月08日 (1931-08-08)(83歲)
 英國埃塞克斯郡科爾切斯特
居住地  英國
 加拿大二戰期間)
国籍  英國
研究領域 數學物理
數學科學
任职於 倫敦大學貝德福德學院
劍橋大學聖約翰學院
普林斯頓大學
雪城大學
倫敦國王學院
倫敦大學柏貝克學院
牛津大學
母校 劍橋大學
倫敦大學學院
大學學院中學
博士導師 約翰·陶德(John A. Todd)
著名成就 扭量理論
時空幾何
宇宙审查
摩尔—彭若斯广义逆
潘羅斯鋪磚法
潘羅斯階梯
受影响于 丹尼斯·夏瑪(Dennis Sciama)
施影响於 米高·阿蒂亞
獲獎 沃爾夫獎(1988年)
狄拉克獎章(1989年)
科普利獎章(2008年)

羅傑·潘羅斯爵士,OMFRSSir Roger Penrose,1931年8月8日),是位英國數學物理學家牛津大學數學系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·潘羅斯是科學家理昂內·潘羅斯Lionel S. Penrose)與瑪格麗特·雷瑟斯Margaret Leathes)的兒子,為數學家奧利佛·潘羅斯Oliver Penrose)與西洋棋大師強納森·潘羅斯Jonathan Penrose)的兄弟。

職業生涯[编辑]

Urs Schmid所繪油畫(1995年),主題為潘羅斯鋪磚法,運用到寬細兩種菱形

於1955年,當他還是學生之時,潘羅斯重新發明了广义逆矩阵(又稱作摩尔—彭若斯广义逆(Moore-Penrose inverse)。參見羅傑·潘羅斯"A Generalized Inverse for Matrices." Proc. Cambridge Phil. Soc. 51, 406-413, 1955。jap jap

於1958年的劍橋大學,潘羅斯在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)。於1965年的劍橋大學,潘羅斯與物理學家史蒂芬·霍金證明了奇點(例如黑洞)可以從毀壞中的巨星體的重力塌縮現象中形成。(Ferguson, 1991: 66).

於1967年,潘羅斯發明了扭量理論,將閔可夫斯基空間中的幾何物體映射到4維複數空間,此空間度規標誌為(2,2)。於1969年,他推測出宇宙審查假設(cosmic censorship hypothesis)。這項提案(相當非正式地)指出了宇宙阻擋我們了解奇點(例如黑洞)内禀的不可預測性,以其被遮掩在我們視線之外。這個形式現在稱作弱審查原理(weak censorship hypothesis);於1979年,潘羅斯建構了更強的形式,稱作強審查原理(strong censorship hypothesis)。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·潘羅斯以其於1974年發現潘羅斯鋪磚法著稱,能以兩種磚片非週期性地鋪滿整個平面。於1984年,類似特徵被發現在類晶體中的原子排列。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。他在推廣通稱為彭罗斯图因果圖頗具影響力。

於2004年,潘羅斯發表了《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。

物理与意识[编辑]

Prof.参加会议的潘羅斯。

潘羅斯撰写了探讨基础物理与人类(或者动物)意识之间联系的一些书籍。在《皇帝新脑》(1989)一书中,他声称已知的物理定律不足以解释意识现象。潘羅斯提议新物理学所具有的特性应该能填补经典物理学和量子力学(他本人称之为正确的量子引力理论)之间的理论沟壑。潘羅斯使用图灵的停机问题的变体(比如,考虑只有ON和OFF两个状态的机器,当给定的图灵机停机时,系统状态被置为ON;当图灵机运行时,系统则被置为OFF。如此,系统状态将完全取决于图灵机本身。但是并没有算法上可行的方法来确定图灵机是否停机)来说明一个确定性的系统并不需要一定是图灵可计算的(从算法角度讲可进行有效计算的)。

潘羅斯相信这种确定性和非算法性共存的计算过程或许在量子力学波动方程的推导中起到作用,甚至可能在智能的产生中具有作用。他认为作为一种算法确定性的系统,当前的电子计算机无法产生智能。他反对认为大脑的推理过程是完全的图灵可计算的观点(若此则大脑可被足够复杂的电子计算机复制)。潘羅斯的这方面观点与强人工智能支持者的观点相左,后者即认为思维可用算法模拟。为了驳斥后者的观点,潘羅斯声称意识是超越数理逻辑的,因为诸如停机问题的不可解性质和哥德尔不完备定理导致基于算法的逻辑系统不能产生具有人类智能特性的智能(比如,对数学的洞见)。这些说法最早得到了牛津大学Merton学院的哲学家John Lucas的支持。

潘羅斯和Lucas关于哥德尔不完备定理在人类智能的计算理论方面所具有的含义的观点受到了来自数学家,计算机科学家和哲学家的广泛批评。尽管不同领域的专家会从不同的方面进行批评[1],但上述领域的专家们一致认为潘羅斯/Lucas的观点是不成立的。来自马文·闵斯基 -- 人工智能的主要支持者--的批评尤其激烈:潘羅斯“一章接一章的试图说明人类意识不能基于任何已知的科学原理。”闵斯基的立场与此完全相反 -- 他相信本质上来说人类就是机器:虽然这种机器的功能很复杂,但使用现有的物理学是完全可解释的。闵斯基如此评价潘羅斯:“在科学探索的道路上,仅靠攻击现有的科学知识将无法获取新的原理。但在我看来,这就是潘羅斯的探索手段。”[2]

作为对《皇帝新脑》所受到的负面评价的回应,潘羅斯随后出版了《意识的阴影》(Shadows of the Mind, 1994)和《庞大,渺小,及人类意识》(The Large, the Small and the Human Mind, 1997)。在这些书中,他还引用了来自麻醉专家Stuart Hameroff的观察。

潘羅斯和Hameroff认为意识是微管中量子引力效应的结果。该过程被他们称为Orch-OR(orchestrated objective reduction,暂译:谐客观化归)。此后,在《物理评论E》上,Max Tegmark发文 [3] 指出,微管中神经元激发和兴奋的时间尺度以最少10,000,000,000倍的因子慢于量子退相干时间。Tegmark的论文受到了广泛接受,有文章[4]如此总结:“没有卷入这场争斗的物理学家们--比如IBM的Jone A. Smolin--认为文中的计算解决了长久以来的怀疑。‘我们拥有的并不是一颗接近绝对零值的大脑。从合理性上来讲人类大脑不可能以量子方式进化’”。Tegmark的论文被潘羅斯-Hameroff的批评者们广泛引用。

作为对Tegmark的回应,物理学家Scott Hagan, Jack Tuszynski和Hameroff也在《物理评论E》上发文[5],声称Tegmark检验的并不是Orch-OR模型,而是他自己构造的模型:Tegmark的计算中涉及的量子叠加态(the superpositions of quanta)以24纳米分隔,而非Orch-OR所要求的小的多的分隔。按照Orch-OR规定的量子叠加态进行运算之后,Hameroff的团队宣布新的量子退相干所需的时间尺度要比Tegmark的结果大7个级数。但这个结果依然比所需的时间少了25毫秒--如果想要使量子过程如同Orch-OR所描述的那样,能够和40赫兹的伽玛同步产生关联的话。为了弥补这一环节,Hameroff等人做了一系列假设和提议。首先他们假设微管内部可以在液态凝胶态之间互相转换。在凝胶状态下,他们进一步假设水的电偶极子会沿着微管外围的微管蛋白同向排列。Hameroff认为这种有序排列的水将会屏蔽微管蛋白中任何量子退相干过程。每个微管蛋白还会从微管中延伸出一条带负电荷的“尾巴”,从而可以吸引带正电荷的离子。这可以进一步屏蔽量子退相干的过程。除此之外,还有推测认为微管可在生物能的驱使下进入相干态。

羅傑·潘羅斯在圣地亚哥大学接受Fonseca奖.

最终,有建议认为微管的构造或许适用于量子纠错(quantum error correction),一种可将量子相干性和环境交互能力结合起来的手段。在最近的十年里,一些同情潘羅斯的研究者提出了若干适用于微管量子过程的替代方案。这些方案认为微管蛋白的“尾巴”可以和微管相关的蛋白质(motor proteins和presynaptic scaffold proteins)发生作用。这些提议的优势在于可在Tegmark的量子退相干时间尺度内发生。

Hameroff在Google Tech关于量子生物学的系列讲座中给出了该领域近期研究的总结,结果再次招致对Orch-OR模型的批评。除此之外[6],潘羅斯和Hameroff在一篇发表于2011年的论文中,参考之前所受到的批评,给出了Orch-OR理论的修改模型;该论文还探讨了意识在宇宙中占有的地位[7]

尽管作为潘羅斯观点的支持者,但根据闵斯基和科学专栏作家Charles Seife的评价,Phillip Tetlow依然认为潘羅斯关于人类意识过程的看法在科学界属于“少数派观点”。Seife把潘羅斯描述成“一小撮相信意识的本质是量子过程的科学家”之一。

宗教信仰[编辑]

潘羅斯是一个无神论者[8] [9]。在纪录片时间简史A Brief History of Time)中,潘羅斯说道:

“我认为宇宙是有目的的,它的出现不可能是机缘巧合...有些人认为宇宙就是会存在,而且就是会运转--有点类似某种计算过程,然后我们不知道怎么的,就意外出现在宇宙中。但是我认为在看待宇宙的问题上,这些看法并不具有建设意义,我认为关于宇宙一定有什么更深刻的东西。”[10]

潘羅斯还是英国人道协会的杰出支持者。

獲獎[编辑]

讲座中的潘羅斯

羅傑·潘羅斯因對科學的貢獻獲頒多個獎項。於1972年,他獲選皇家學會會員

於2005年,羅傑·潘羅斯爵士獲頒波蘭華沙大學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)。

著作[编辑]

  • 羅傑·潘羅斯, Techniques of Differential Topology in Relativity, Society for Industrial & Applied Mathematics, 1972, ISBN 0898710057(rare)
  • 羅傑·潘羅斯and Wolfgang Rindler, Spinors and Space-Time: Volume 1, Two-Spinor Calculus and Relativistic Fields, Cambridge University Press, 1987 (reprint), ISBN 0521337070(paperback)
  • 羅傑·潘羅斯and Wolfgang Rindler, Spinors and Space-Time: Volume 2, Spinor and Twistor Methods in Space-Time Geometry, Cambridge University Press, 1988 (reprint), ISBN 0521347866(paperback)
  • 羅傑·潘羅斯, The Emperor's New Mind: Concerning Computers, Minds, and The Laws of Physics, Oxford University Press, 1989, ISBN 0-14-014534-6(paperback)
  • 羅傑·潘羅斯, Shadows of the Mind: A Search for the Missing Science of Consciousness, Oxford University Press, 1994, ISBN 0-19-853978-9(hardback)
  • 史蒂芬·霍金和羅傑·潘羅斯, The Nature of Space and Time, Princeton University Press, 1996, ISBN 0691037914 (hardback), ISBN 0691050848(paperback)
  • 羅傑·潘羅斯, The Large, the Small, and the Human Mind, (with Abner Shimony, Nancy Cartwright, and Stephen Hawking), Cambridge University Press, 1997, ISBN 0-521-56330-5 (hardback), ISBN 0-521-65538-2 (paperback), Canto edition: ISBN 0-521-78572-3
  • 羅傑·潘羅斯, The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe, Jonathan Cape, London, 2004, ISBN 0224044478 (hardcover), ISBN 0099440687(paperback)

相關條目[编辑]

參考文獻[编辑]

  • Ferguson, Kitty (1991). Stephen Hawking: Quest For A Theory of Everything. Franklin Watts. ISBN 0553-29895-X.
  • Misner, Charles; Thorne, Kip S. & Wheeler, John Archibald. Gravitation. San Francisco: W. H. Freeman. 1973. ISBN 0-7167-0344-0. ; see Box 34.2.
  1. ^ Criticism of the Lucas/Penrose argument that intelligence can not be entirely algorithmic: Sources that indicate Penrose's argument is generally rejected: Sources that also note that different sources attack different points of the argument:
    • Princeton Philosophy professor John Burgess writes in On the Outside Looking In: A Caution about Conservativeness (published in Kurt Gödel: Essays for his Centennial, with the following comments found on pp. 131–132) that "the consensus view of logicians today seems to be that the Lucas–Penrose argument is fallacious, though as I have said elsewhere, there is at least this much to be said for Lucas and Penrose, that logicians are not unanimously agreed as to where precisely the fallacy in their argument lies. There are at least three points at which the argument may be attacked."
    • Dershowitz, Nachum 2005. The Four Sons of Penrose, in Proceedings of the Eleventh Conference on Logic Programming for Artificial Intelligence and Reasoning(LPAR; Jamaica), G. Sutcliffe and A. Voronkov, eds., Lecture Notes in Computer Science, vol. 3835, Springer-Verlag, Berlin, pp. 125–138.
  2. ^ Marvin Minsky. "Conscious Machines." Machinery of Consciousness, Proceedings, National Research Council of Canada, 75th Anniversary Symposium on Science in Society, June 1991.
  3. ^ Tegmark, Max. 2000. "The importance of quantum decoherence in brain processes". Physical Review E. vol 61. pp. 4194–4206.
  4. ^ Tetlow, Philip. The Web's Awake: An Introduction to the Field of Web Science and the Concept of Web Life. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. 2007. 166. ISBN 978-0-470-13794-9. 
  5. ^ Hagan, S., Hameroff, S., and Tuszyński, J. Quantum Computation in Brain Microtubules? Decoherence and Biological Feasibility. Physical Review E. 2002, 65: 061901. arXiv:quant-ph/0005025. Bibcode:2002PhRvE..65f1901H. doi:10.1103/PhysRevE.65.061901. 
  6. ^ http://www.youtube.com/watch?v=LXFFbxoHp3s
  7. ^ [1]
  8. ^ Harris, Sam. Letter to A Christian Nation. SamHarrisOrg. [5 June 2010].  Quoting Penrose's blurb for Harris's book Letter to a Christian Nation.
  9. ^ Big Bang follows Big Bang follows Big Bang. BBC News. 25 September 2010 [1 Dec 2010]. .
  10. ^ See A Brief History of Time, quote starts at about 1:12:43 in the video.

外部連結[编辑]