下面这张图片展示的内容看起来让人感到奇怪，如果这样的图形真实存在会是什么样子？因为无论从哪个角度出发，最终都会无可避免地出现循环，并且这个循环没有终点也不会结束。图片中展示的图形正是知名的几何图形——彭罗斯三角形。

著名的彭罗斯三角形

彭罗斯三角形由著名数学物理学家罗杰·彭罗斯在1954年创作，对循环的痴迷让他在几十年后的今天获得了非同小可的成就。他不仅证明了广义相对论预言的正确性，同时在他自己提出的循环宇宙论中得到了进一步解释。

根据他的相关理论，宇宙起源或许并不是那么简单，而且原有的大爆炸理论极有可能被改写，因为宇宙在循环的证据已经被找到。这听起来十分不可思议，但究竟什么是循环宇宙？罗杰斯教授又是如何提出这个理论的？这在当代物理界会造成怎样的影响？

本文将从共形循环宇宙学、霍金辐射、彭罗斯图以及广义相对论等多个方面来解答这些问题，接下来一起看看这位诺奖得主彭罗斯是如何找到相关证据的？

关于宇宙起源的新解释，一切都和黑洞有关。爱因斯坦提出了广义相对论，但是他本人并不相信黑洞的真实存在，它应该只是一个物理模型。当然，我们现在已经知道，黑洞确实存在，看不见是因为奇点的存在。

1963年，以俄国科学家艾萨克·卡拉特尼科夫为主导的研究小组发布了一篇关于奇点的物质。不过关于奇点的描述，他们认为奇点不是物质宇宙的一部分。

彭罗斯的直觉告诉他，俄国研究小组可能错了。为了证明自己的奇点理论，彭罗斯在1965年发表了自己关于宇宙奇点的认识。不过相关的理论并没有得到当时主流学界的认可，一直到70年代，这一情况才有所突破。

奇点理论的研究给彭罗斯带来了新的灵感，在引力坍缩的局部背景下，彭罗斯开展了更大胆的想象。彭罗斯和霍金的合作进一步完善了奇点理论，最后才让公众认识到奇点的影响有多大，并且它是真实存在于黑洞之中的。

这一阶段或许并没有得到什么突破性的进展，但彭罗斯逐渐在相关的研究中以数学的形式为人们展示了一种图形，彭罗斯图。彭罗斯图看上去很有视觉误导性，但实际上这是一张二维的图形，通过对无穷大的“保形处理”（一种数学手段）来捕捉时空中不同点之间的因果关系。

与其他物理坐标系不同的是，彭罗斯图引入了一个通过缩小或压缩更远距离来表示遥远时空的系统。所以，恒定时间的直线和恒定空间坐标的直线变成了双曲线。

彭罗斯图的二维面

这些双曲线在图形的拐角处汇聚，点和边界代表时空的“共性无限”。正是这方面的研究才驳定了俄国科学家的理论，而彭罗斯图常用来说明包含黑洞的时空因果结构。总体来讲，关于黑洞的初步探索给后来的理论树立了一个基本框架。

进入21世纪，人们几乎都接受了宇宙大爆炸理论，黑洞和奇点也被证明是存在的，但没人能够看到黑洞真实的样子。2010年，彭罗斯推广了他基于广义相对论框架下的宇宙模型，并根据宇宙微波背景辐射探测器收集到的数据，证明了我们现在的宇宙在大爆炸之前的早期宇宙。

一切的开始：大爆炸

共性循环宇宙的出现为人们展现了一种新的可能，彭罗斯认为宇宙通过无限循环的方式进行迭代，每次先前迭代的未来类时无限，也就是彭罗斯图所想要证明的时空结果，都被确定为大爆炸奇点。

每一个时空代表一个大爆炸，随后是无限的未来膨胀。同时，彭罗斯也注意到，彭罗斯图中的保形处理可以附加到另一个未来的共形边界。如果彭罗斯图把表现为类时无穷并接近于零时，便会有效地将未来的共形边界压扁为共性规则的超曲面。

共形映射展示

彭罗斯由此研究得到了爱因斯坦方程的新解，并以此用来代表整个宇宙，而彭罗斯本人则称之为“永恒边界”。共性循环宇宙理论指出，所有大质量粒子最终都会从存在中消失，包括与所有其他粒子分离太远而无法一起湮灭的粒子。

各种黑洞解的彭罗斯图

在物理方面，玻色子会遵循共性不变的量子理论。对于这样的粒子来说，永恒之间的边界就不再是边界，而是一个可以像其他任何东西一样穿过的空间表面。

此外，费米子仍然被限制在一个给定的时间范围内，以此为黑洞信息悖论提供了一个解决方案。根据彭罗斯的说法，黑洞在蒸发的过程中，费米子必须不可逆转地转化为辐射，以保持永恒之间边界的平滑度。

关于黑洞信息悖论

共形宇宙与宇宙微波背景之间的研究让彭罗斯对大爆炸和宇宙暴涨论提出了质疑。如同刚才我们所讲，永恒循环开始和结束，最终都会被超大质量黑洞吸收，并通过霍金辐射蒸发消失，为下一次大爆炸奠定基础。

视界界限的坠落

因此在2010年~2018年这期间，彭罗斯一直在为自己的理论做实证检验。早期的实证检验阶段并不顺利，相关的统计数据仍然差很多。理论在后来有了新的补充，彭罗斯理论的程序模拟得到了较为合理的结果。

黑洞视界的一种可能预测

彭罗斯的理论关键在于如何通过霍金辐射来验证整个理论系统，直到2019年的新发现，才最终为2020年的获奖一锤定音。

诺贝尔奖并不只是彭罗斯一个人的成果，另外还有安德里亚·盖兹领导的天文学小组。从1990年开始，他们便一直专注在银河系中心的人马座A*的区域进行观察。

相关的观察结果与其他天文小组相同，他们都发现了银河系中一个超大质量但又看不见的物体，它拉动着杂乱的恒星运动。而它大约有400万个太阳质量，并且这些质量聚集在比太阳系还小的区域内。

人马座A*示意图

这极有可能是一个黑洞，为了拍摄这个黑洞，科学家利用网络数据和世界各地的巨型望远镜组建了一个“事件视界望远镜”。最终这个黑洞的真面目被人们发现，而这也是历史上人类真正第一次拍摄到黑洞的照片。

彭罗斯的共形循环宇宙的关键证明点就是远古黑洞蒸发的参与信号，此次发现的银河系中心黑洞历史足够久远，并且能为相关理论做出支持。

黑洞真正的样子

黑洞的发现为彭罗斯的理论做出了支撑，在彭罗斯的宇宙论中，我们的宇宙也许并不是我们今天所想的那般。超大质量黑洞的霍金辐射蒸发很有可能是宇宙循环的证据，因为它在为下一次大爆炸做准备。

彭罗斯和安德里亚此次的发现或许会改写人们对宇宙的看法，尽管有相关的科研团队在之前提出了质疑，认为彭罗斯的宇宙不能解释“寻找别处效应”。但今天的发现无疑是颠覆性的，至少从广义相对论来讲，彭罗斯的理论对黑洞的形成预测十分正确。

罗杰·彭罗斯

而另一方面，黑洞的新发现和观察数据在未来还需要更多的研究，或许共形宇宙在未来会被彻底证明，如果是这样，宇宙的每次循环就是新的开始。