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从数学太差降级到捧回诺贝尔奖,彭罗斯的非凡之路,有哪些无价特质值得学习?
来源:外滩教育| 作者:Luna | 发布时间:2020-10-16 | 阅读量:116

瑞典时间10月6日,国内还处于国庆假期期间,瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松身着正装,在镜头前宣布,将“2020年诺贝尔物理学奖”授予罗杰·彭罗斯、赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹。

诺贝尔物理学奖获得者们

罗杰·彭罗斯,1931年出生于英国科尔切斯特,是英国数学物理学家、数学家、科学哲学家,还是牛津大学的荣誉退休数学教授(Emeritus Rouse Ball Professor),同时也是牛津大学沃德姆书院(Wadham College)的荣誉学者、牛津大学数学系名誉教授。

此次,彭罗斯更是因为黑洞的理论研究而获得诺奖,他用数学方法证明,黑洞确实可以形成。

罗杰·彭罗斯

而后两位获奖者则是观测到了超大质量致密天体,为黑洞研究提供了有力的观测结果。

对于更多人而言,罗杰·彭罗斯这个名字或许很陌生,但是一定见过下面这个奇怪的三角和走不完的楼梯。

这两个在三维世界不可能存在的实体,其实都是彭罗斯的杰作。

而罗杰·彭罗斯不仅本人是学术界的巨擘,他身后还有一个声名显赫的学术、艺术家族。

他也曾和霍金搭档工作,有人叹息,“此次的诺贝尔奖也是对霍金的一种怀念”。

但令人意外的是,这个以数学方法获得诺贝尔物理学奖的大牛,在小学时却在数学上显得“愚笨”,甚至因为数学成绩太差而遭到老师嫌弃。

曾经的数学“差生”是如何一步步成长为一位顶尖学者的?

在了解和梳理了彭罗斯的人生经历后,外滩君发掘了出了几个重要的因素:环境熏陶、独立思考、兴趣与热情、跨专业思维。

不论是在求学时,还是在研究中,这些品质都给彭罗斯带来了极大的裨益,也启发着教育路上的每个人。

家谱上都是名人

但家风和金汤匙一样重要

讲到罗杰·彭罗斯的家族,就不得不提他的父亲——莱昂内尔·彭罗斯(Lionel Penrose),他是英国精神病学家、遗传学家、数学家、国际象棋理论家。其令人瞩目的成就之一是在优生学方面取得的成果。

二战后,莱昂内尔成为英国医学遗传学方面的核心人物。他在伦敦大学学院高尔顿实验室任职长达20年,因为不喜欢“优生学”这个涉及种族净化的名字,他还将自己“优生学教授”的头衔改为“人类遗传学教授”。

1960年,莱昂内尔获得拉斯克基础医学研究奖,此奖素有“美国诺贝尔奖”的美称,也是医学最高荣誉之一,许多得主也曾获得过诺奖。

1964年,莱昂内尔还获得詹姆斯·斯彭斯奖章,这是英国皇家儿科和儿童健康学院的最高荣誉。

莱昂内尔·彭罗斯

莱昂内尔和妻子有四个孩子,罗杰·彭罗斯排行第二,他们兄妹四人,在父亲所涉及的几个领域里潜心钻研,个个都是自己领域里的顶尖人物。

大哥奥利弗·彭罗斯(Oliver Penrose)是知名的理论物理学家,曾在开放大学任职长达17年,后在赫瑞瓦特大学(Heriot-Watt University)担任数学教授直到退休,至今仍然拥有荣誉教授的头衔。

弟弟乔纳森·彭罗斯(Jonathan Penrose)则是英国国际象棋大师。4岁学会下棋,13岁就成为了英国青少年比赛冠军;1958~1969年间拿了10次英国锦标赛冠军,创下了记录。

乔纳森最著名的比赛,是在1960年国际象棋奥运会上,击败了当时的世界冠军米哈伊尔·塔尔。乔纳森的使用的战术也被称为“彭罗斯牺牲”。

此外,乔纳森还拥有心理学博士学位,曾是大学讲师。

妹妹雪莉婚后改了夫姓,现在名为雪莉·霍奇森(Shirley Hodgson),是英国知名遗传学家,2003年以来,一直在伦敦大学圣乔治学院任癌症遗传学教授。

弟弟乔纳森·彭罗斯

仅仅是父亲和兄妹,罗杰·彭罗斯就有着常人难以企及的高度。若是继续探求,会发现他的叔叔们、祖父母和外祖父母那一辈,也都是背景显赫、成就瞩目的人才。

叔叔和爷爷在艺术上颇有造诣,都是有名的画家和艺术家;

外祖父是生理学家、生化学家,

外舅公是诗人、经济学家……

法国思想大师皮埃尔·布尔迪厄曾经提出了四种资本类型:经济资本、社会资本、文化资本、符号资本。

美国著名社会学家安妮特·拉鲁花费10年,追踪了12个不同阶层的美国家庭后发现:决定孩子阶层的,除了父母的资本,另一个就是家庭的“文化资本”。

安妮特·拉鲁

罗杰·彭罗斯这样的家族背景确实可遇而不可求,不过对普通家庭来说,依然可以通过丰富家庭文化资本,来促进孩子的成长。比如:

让孩子多接触书籍、图画等文化物品,多接触、多阅读;

还有培养孩子的软技能,因为个人素养与意志品质都是文化资本的内涵。

小学时数学差

却是因为喜欢独立思考

很明显,显赫的家族背景为罗杰·彭罗斯提供了良好的家庭环境和背景,加上他后来在数学和物理学上的成就,令人不禁好奇,一个杰出的科学家在童年时是不是就已经展现出过人的学科天赋。

但令人意外的是,罗杰·彭罗斯在小学时,数学成绩并不好。他在采访中不止一次提到,自己小时候在学习上显得非常迟钝。

“我记得,当战争期间我在加拿大上学的时候,我十分迟钝。你如果看我的数学试卷,我的分数不会很好,还曾经因为心算很差而被降到低年级。”

幸运的是,罗杰·彭罗斯遇到了一位很有洞察力的老师,他发现只要彭罗斯有足够的时间,也能把试题做得相当好。于是,他做了个大胆的决定,准许彭罗斯考试不限时长,想做多久就做多久。

于是,原本一节课就该结束的考试,彭罗斯花了其他人两倍甚至三倍的时间。而且,考试后紧接着就是游戏时间,对一个年纪尚小的孩子来说,要抵挡住游戏的快乐,一心一意地做题很不容易。

但彭罗斯依旧能专心地继续自己的考试,一直坚持到完成试卷。最终,他得到了98分的高分,和平日那个“数学差生彭罗斯”简直判若两人。

再次回忆起这件事时,彭罗斯并未提到自己当时是否因为成绩不好看,而感到焦虑或难受。

相反,他认为自己的“愚笨”是因为不擅长记忆,不愿意死记硬背地照搬书上的东西。

“我想原因在于我不善于记忆东西,不管是在课桌旁或是别的什么地方。我总是试图自己找到解答,这当然对在学校参加考试是没什么好处的。

但后来,这一点却正好有了用处,它让我得以用自己的方式去思考那些事情,而不是从书本或其他什么地方直接学过来。”

独立思考这一品质,也让彭罗斯在此后纷繁的学术研究中,保持了清醒的头脑,不仅能将不同专业的理论结合起来,还能在空白的领域中找到方向,并最终有所建树。

彭罗斯

时光回到彭罗斯的研究生时代。

那时,他还是剑桥大学数学系的学生。在那个时代,大家都觉得在自己选定的研究领域深入下去,坚持下去就足够了。不同院系之间,似乎有无形的墙将彼此分隔开来。

但彭罗斯却完全不把这种规则放在心上,他依然选修了许多专业以外的课程,也正是在这个时候,他接触到了量子物理、宇宙学等方面的知识与理论。并且在此后,天才地将二者联系了起来。

要知道,在彭罗斯那个年代,宇宙学还是一片空白的领域,人们对宇宙还所知甚少。就连彭罗斯自己也说自己“有点思维跳跃了”。

再说后来与彭罗斯缘分不浅的黑洞。

在彭罗斯之前,天文界的主流观点都认为黑洞很大概率不会真实存在。但彭罗斯却用特别有新意的数学方法,一举证明黑洞存在的可能性并不低。这才让天文界开始认真地寻找黑洞。

黑洞(概念图)

爱迪生曾说:“天才是百分之一的灵感,加上百分之九十九的汗水。但那百分之一的灵感往往比百分之九十九的汗水来的重要。”

彭罗斯的经历也是如此,若是没有独立思考的能力,那百分之一的灵感或许会变成不可能。

兴趣与热情

引导学术之路

独立思考能力,是彭罗斯在学术路上披荆斩棘的锋利武器,但要持久地坚持下去,还需要源源不断的动力,彭罗斯的动力来源正是他对于学术的兴趣与热情。

在这个学术大家族里,这种对于研究的持久兴趣似乎也是“遗传”的。

罗杰·彭罗斯回忆起自己的父亲莱昂内尔时,印象最深的便是父亲没有工作与娱乐的界限。这不是说他的父亲是个工作狂,而是说父亲经常运用自己的专业学识,将工作的一部分赋予到娱乐的事物上。

莱昂内尔有一间小棚屋,屋前有一个脚踏锯。他就在这里将木材切割组装,亲手为自己的孩子,甚至孙辈们制作拼图和玩具这些小东西。

罗杰·彭罗斯提到,父亲曾制作了12块不同的木楔,然后给出组合规则,这让孩子们可以用各种复杂的方式把这些木楔组合起来。

若没有对于数学、物理等科学的热情,绝无可能达到父亲这样的程度。

而父亲对待工作和生活的这种态度,也深深地影响了罗杰·彭罗斯,他在学习和研究的过程中,也以兴趣为选择的基础。

“对物理学家来说,我是数学家;对于数学家来说,我是物理学家。”对于自己跨专业的身份,彭罗斯这样定义。

不过,其实在最开始,彭罗斯还坚定地选择要学习和研究数学。当他还是剑桥数学系研究生时,就和宇宙学家丹尼斯(Dennis W. Sciama)成为了好友,还从丹尼斯那里学到了很多物理知识。

丹尼斯本人,是二战后推动英国物理学发展的重要人物,而他指导的博士生中就有大名鼎鼎的霍金。

对于彭罗斯,丹尼斯一直希望这个后辈兼朋友能够对物理产生兴趣,甚至希望他从数学专业改换到物理专业去。

面对好友的建议,彭罗斯并没有立刻行动,因为他还被数学的吸引力深深地牵引着。用他自己的话说:还有很多知识他还没有学,还有很多问题等待他去解决。

彭罗斯(右)与霍金

一直到1964年,丹尼斯的愿望终于实现了。

当时,33岁的彭罗斯从美国返回到英国,成为伦敦大学伯贝克学院的准教授,也终于对物理产生了极大的兴趣。而他这一转变,也将自己此前在数学领域积累的经验带入了物理界。

2017年诺贝尔物理学奖得主基普·S·索恩评价道:“罗杰·彭罗斯,革新了我们用来分析时空特性的数学工具。”

兴趣是最好的老师,也正是因为对于科学怀有兴趣与热情,彭罗斯才能不断前进。

彭罗斯

儿童心理学家皮亚杰认为:智力活动必须由一种情感性质的力量所激发,一个人从来不想学习自己不感兴趣的东西。

成年人如此,孩子更是如此。想要孩子自发地、主动地学习,最好的办法就是遵从他们的兴趣,或是激发起他们的学习动机。

皮亚杰认为:

教师只是儿童学习的促进者,要尊重儿童的学习愿望,不能强加给学生;

教师的作用是间接的,教师不是直接把某种现成的知识转交给儿童,而是介绍问题和对策,让儿童自己主动地自发学习。

跨专业的思考

为学术研究带来新的启发

除了这些兢兢业业的品质,罗杰·彭罗斯还与艺术有不解之缘。艺术与数学,不仅是感性和理性的交织,也为彭罗斯带来了新的思路。

说到艺术,家学渊源这一条在罗杰·彭罗斯的这里仍然适用。

爷爷詹姆斯 · 多伊尔 · 彭罗斯(J. Doyle Penrose)是一位爱尔兰画家,尤其擅长人物肖像画。

叔叔罗兰·彭罗斯(Roland Penrose)就是一位杰出的艺术家,在超现实主义领域颇有名望,与毕加索也是好友。

他生前收藏了许多毕加索的作品,故居现在已经成为一所博物馆。

父亲莱昂内尔·彭罗斯虽然没有在艺术领域成为大家,但是也保留着作画的习惯。

一战期间,莱昂内尔在法国公谊救护队( Friends’ Ambulance Unit)效力,期间他还用速写的方式书写自己的日记,记录生活。

1918年莱昂内尔·彭罗斯日记中的急救火车画像

此外,对罗杰·彭罗斯产生了重大影响的艺术家,还有荷兰版画家埃舍尔。埃尔舍虽然没有接受过数学方面的系统教育,但他的画作中体现出了许多对数学直观的理解。

1954年,国际数学家大会在阿姆斯特丹举行。期间,阿姆斯特丹市立博物馆展出了埃舍尔的作品。

在一众数学家中,埃舍尔的画作引起了罗杰·彭罗的注意。此前,彭罗斯从没听说过埃舍尔,但名为《楼梯之屋》(House of Stairs)的画作让彭罗斯深受触动。

或许是画作中蜿蜒的楼梯,以及错综复杂的房间结构,激发了彭罗斯的兴趣。在参观完画展之后,彭罗斯也跃跃欲试,想尝试一些不可能的事。

最终,罗杰·彭罗斯和自己的父亲一起合作,创作出了“彭罗斯三角”与“ 彭罗斯楼梯”,探究了视觉错觉上的一种特殊类型,并在1958年2月份的《英国心理学月刊》(British Journal of Psychology)上发表论文。

相关论文

罗杰·彭罗斯和艺术的渊源并没有到此为止。

在20世纪70年代,彭罗斯又发明了两种瓷砖图形,具有极高的实用美学价值,改变了装潢艺术。

他从数学的角度,设计出了特别样式的瓷砖,让这些瓷砖能够没有缝隙地拼合在一起,同时还能组成不重复的拼贴组合,在视觉上具有很高的艺术感。

而他这项研究也无心插柳柳柳成荫,给现代晶体学探讨的“准晶体”提供了思路。2011年,以色列科学家丹尼尔·舍特曼就因发现准晶体而获得诺贝尔化学奖。

特别样式的瓷砖

随着STEM教学兴起,跨学科能力成为了教育中一股不可忽视的潮流。除了多多接触不同媒介,彭罗斯的跨学科思考能力,更多地体现在他能够找到不同领域和问题之间的共性,从而实现知识的迁移运用。

就像他的著名科普书籍《皇帝新脑》一样,在很多人看来,他用量子力学来解释人脑的运作,是天马行空和脑洞大开。

但他这个想法,实则起源于一堂他没有听懂的量子力学课。

“这个问题从此一直困扰着我,我也确实形成了这样的想法:我们对世界的认识还有巨大的缺口,具体来说是在量子力学中,而且有可能跟我们在意识和思考时发生的过程有一些关联。”

芬兰的“基于现象的学习”正是跨学科学习的代表方法。它要求学生在数周的时间里,来解决一个现实生活中的课题。

在此,过程中,学生不仅需要学习多个学科的知识,还需要将知识运用于自己的课题;不仅有自我探究,还有小组合作。

比如:

学生在研究“可持续发展”时会用物理、化学、地理和统计的知识来研究全球变暖对于南极的影响;

“联合国”这个话题,则涵盖地理、 历史、语言、宗教、政治、经济等多个领域。

要实现迁移学习,无疑要打破各个学科之间的隔阂,跳出用单一思维解决问题的习惯。简单来说,一需要有强大的知识基础,二需要有创新的视角。

在日常生活中,就是既要有各学科的知识,也要积极与他人交流,开拓思路。

诺贝尔奖对于科学家们来说,并不是唯一的肯定,但罗杰·彭罗斯在89岁高龄时获得诺贝尔物理学奖,也算不上意外,他一生的积淀已经足以让他在学术领域留下丰碑。

不是所有人都能获得诺贝尔奖,教育也不是要把所有人都培养成科学家。但从这位优秀的科学家身上,外滩君仍然看到了许多值得学习的品质。

显赫的家族或许让他的起点比别人更高,但若没有对科学的无穷热情,没有独立思考带来的坚持,没有联系异同的跨学科思维,罗杰·彭罗斯也不会成为今天的他。

而这些品质,在不同的人身上,相信也能成就百态人生。


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