作者 | Luna
編輯 | Travis
來源 | 外灘教育（ID：TBEducation）
看點 2020年各項諾獎得主已經全部揭曉。外灘君注意到，其中物理學獎得主之一的羅傑·彭羅斯，可謂是「非典型學霸」。雖然出生於學霸世家，但他卻曾因數學太差而被老師降級。 羅傑·彭羅斯是怎麼從一個「差生 」晉級到諾獎得主的？他身上又有哪些我們孩子能學習的特質呢？快隨外灘君一起，解密 羅傑·彭羅斯的「諾獎密碼」。
瑞典時間10月6日，國內還處於國慶假期期間， 瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松身著正裝，在鏡頭前宣布，將「 2020年諾貝爾物理學獎」授予 羅傑·彭羅斯、賴因哈德·根策爾和 安德烈婭·蓋茲。
諾貝爾物理學獎獲得者們
羅傑·彭羅斯，1931年出生於英國科爾切斯特，是 英國數學物理學家、數學家、科學哲學家，還是 牛津大學的榮譽退休數學教授（Emeritus Rouse Ball Professor），同時也是 牛津大學沃德姆書院（Wadham College）的 榮譽學者、牛津大學數學系名譽教授。
此次， 彭羅斯更是因為黑洞的理論研究而獲得諾獎，他用數學方法證明，黑洞確實可以形成。
羅傑·彭羅斯
而後兩位獲獎者則是觀測到了超大質量緻密天體，為黑洞研究提供了有力的觀測結果。
對於更多人而言，羅傑·彭羅斯這個名字或許很陌生，但是一定見過下面這個奇怪的三角和走不完的樓梯。
這兩個在三維世界不可能存在的實體，其實都是彭羅斯的傑作。
而羅傑·彭羅斯不僅本人是學術界的巨擘，他身後還有一個聲名顯赫的學術、藝術家族。
他也曾和霍金搭檔工作，有人嘆息，「此次的諾貝爾獎也是對霍金的一種懷念」。
但令人意外的是，這個以數學方法獲得諾貝爾物理學獎的大牛，在小學時卻在數學上顯得「愚笨」，甚至因為數學成績太差而遭到老師嫌棄。
曾經的數學「差生」是如何一步步成長為一位頂尖學者的？
在了解和梳理了彭羅斯的人生經歷後，外灘君發掘了出了幾個重要的因素： 環境薰陶、獨立思考、興趣與熱情、跨專業思維。
不論是在求學時，還是在研究中，這些品質都給彭羅斯帶來了極大的裨益，也啟發著教育路上的每個人。
家譜上都是名人
但家風和金湯匙一樣重要
講到羅傑·彭羅斯的家族，就不得不提他的父親—— 萊昂內爾·彭羅斯（Lionel Penrose），他是英國精神病學家、遺傳學家、數學家、西洋棋理論家。其令人矚目的成就之一是在優生學方面取得的成果。
二戰後，萊昂內爾成為英國醫學遺傳學方面的核心人物。他在倫敦大學學院高爾頓實驗室任職長達20年，因為不喜歡「優生學」這個涉及種族凈化的名字，他還將自己「優生學教授」的頭銜改為「人類遺傳學教授」。
1960年，萊昂內爾獲得 拉斯克基礎醫學研究獎，此獎素有 「美國諾貝爾獎」的美稱，也是醫學最高榮譽之一，許多得主也曾獲得過諾獎。
1964年，萊昂內爾還獲得詹姆斯·斯彭斯獎章，這是英國皇家兒科和兒童健康學院的最高榮譽。
萊昂內爾·彭羅斯
萊昂內爾和妻子有四個孩子，羅傑·彭羅斯排行第二，他們兄妹四人，在父親所涉及的幾個領域裡潛心鑽研，個個都是自己領域裡的頂尖人物。
大哥 奧利弗·彭羅斯（Oliver Penrose）是知名的理論物理學家，曾在開放大學任職長達17年，後在赫瑞瓦特大學（Heriot-Watt University）擔任數學教授直到退休，至今仍然擁有榮譽教授的頭銜。
弟弟 喬納森·彭羅斯（Jonathan Penrose）則是英國西洋棋大師。4歲學會下棋，13歲就成為了英國青少年比賽冠軍；1958~1969年間拿了10次英國錦標賽冠軍，創下了記錄。
喬納森最著名的比賽，是在1960年西洋棋奧運會上，擊敗了當時的世界冠軍米哈伊爾·塔爾。喬納森的使用的戰術也被稱為「彭羅斯犧牲」。
此外，喬納森還擁有心理學博士學位，曾是大學講師。
妹妹雪莉婚後改了夫姓，現在名為 雪莉·霍奇森（Shirley Hodgson），是英國知名遺傳學家，2003年以來，一直在倫敦大學聖喬治學院任癌症遺傳學教授。
弟弟喬納森·彭羅斯
僅僅是父親和兄妹，羅傑·彭羅斯就有著常人難以企及的高度。若是繼續探求，會發現他的叔叔們、祖父母和外祖父母那一輩，也都是背景顯赫、成就矚目的人才。
叔叔和爺爺在藝術上頗有造詣，都是有名的畫家和藝術家；
外祖父是生理學家、生化學家，
外舅公是詩人、經濟學家……
法國思想大師 皮埃爾·布爾迪厄曾經提出了四種資本類型： 經濟資本、社會資本、文化資本、符號資本。
美國著名社會學家 安妮特·拉魯花費10年，追蹤了12個不同階層的美國家庭後發現： 決定孩子階層的，除了父母的資本，另一個就是家庭的「文化資本」。
安妮特·拉魯
羅傑·彭羅斯這樣的家族背景確實可遇而不可求，不過對普通家庭來說，依然可以通過豐富家庭文化資本，來促進孩子的成長。比如：
讓孩子多接觸書籍、圖畫等文化物品，多接觸、多閱讀；
還有培養孩子的軟技能，因為個人素養與意志品質都是文化資本的內涵。
小學時數學差
卻是因為喜歡獨立思考
很明顯，顯赫的家族背景為羅傑·彭羅斯提供了良好的家庭環境和背景，加上他後來在數學和物理學上的成就，令人不禁好奇，一個傑出的科學家在童年時是不是就已經展現出過人的學科天賦。
但令人意外的是，羅傑·彭羅斯在小學時，數學成績並不好。他在採訪中不止一次提到，自己小時候在學習上顯得非常遲鈍。
「我記得，當戰爭期間我在加拿大上學的時候，我十分遲鈍。你如果看我的數學試卷，我的分數不會很好，還曾經因為心算很差而被降到低年級。」
幸運的是，羅傑·彭羅斯遇到了一位很有洞察力的老師，他發現只要彭羅斯有足夠的時間，也能把試題做得相當好。於是，他做了個大膽的決定，准許彭羅斯考試不限時長，想做多久就做多久。
於是，原本一節課就該結束的考試，彭羅斯花了其他人兩倍甚至三倍的時間。而且，考試後緊接著就是遊戲時間，對一個年紀尚小的孩子來說，要抵擋住遊戲的快樂，一心一意地做題很不容易。
但彭羅斯依舊能專心地繼續自己的考試，一直堅持到完成試卷。最終，他得到了98分的高分，和平日那個「數學差生彭羅斯」簡直判若兩人。
再次回憶起這件事時，彭羅斯並未提到自己當時是否因為成績不好看，而感到焦慮或難受。
相反，他認為自己的「愚笨」是因為不擅長記憶，不願意死記硬背地照搬書上的東西。
「我想原因在於我不善於記憶東西，不管是在課桌旁或是別的什麼地方。 我總是試圖自己找到解答，這當然對在學校參加考試是沒什麼好處的。
但後來，這一點卻正好有了用處， 它讓我得以用自己的方式去思考那些事情，而不是從書本或其他什麼地方直接學過來。」
獨立思考這一品質，也讓彭羅斯在此後紛繁的學術研究中，保持了清醒的頭腦，不僅能將不同專業的理論結合起來，還能在空白的領域中找到方向，並最終有所建樹。
彭羅斯
時光回到彭羅斯的研究生時代。
那時，他還是劍橋大學數學系的學生。在那個時代，大家都覺得在自己選定的研究領域深入下去，堅持下去就足夠了。不同院系之間，似乎有無形的牆將彼此分隔開來。
但彭羅斯卻完全不把這種規則放在心上，他依然選修了許多專業以外的課程，也正是在這個時候，他接觸到了量子物理、宇宙學等方面的知識與理論。並且在此後，天才地將二者聯繫了起來。
要知道，在彭羅斯那個年代，宇宙學還是一片空白的領域，人們對宇宙還所知甚少。就連彭羅斯自己也說自己「有點思維跳躍了」。
再說後來與彭羅斯緣分不淺的黑洞。
在彭羅斯之前，天文界的主流觀點都認為黑洞很大機率不會真實存在。但彭羅斯卻用特別有新意的數學方法，一舉證明黑洞存在的可能性並不低。這才讓天文界開始認真地尋找黑洞。
黑洞(概念圖)
愛迪生曾說：「天才是百分之一的靈感，加上百分之九十九的汗水。但那百分之一的靈感往往比百分之九十九的汗水來的重要。」
彭羅斯的經歷也是如此，若是沒有獨立思考的能力，那百分之一的靈感或許會變成不可能。
興趣與熱情
引導學術之路
獨立思考能力，是彭羅斯在學術路上披荊斬棘的鋒利武器，但要持久地堅持下去，還需要源源不斷的動力， 彭羅斯的動力來源正是他對於學術的興趣與熱情。
在這個學術大家族裡，這種對於研究的持久興趣似乎也是「遺傳」的。
羅傑·彭羅斯回憶起自己的父親萊昂內爾時，印象最深的便是父親沒有工作與娛樂的界限。這不是說他的父親是個工作狂，而是說 父親經常運用自己的專業學識，將工作的一部分賦予到娛樂的事物上。
萊昂內爾有一間小棚屋，屋前有一個腳踏鋸。他就在這裡將木材切割組裝，親手為自己的孩子，甚至孫輩們製作拼圖和玩具這些小東西。
羅傑·彭羅斯提到，父親曾製作了12塊不同的木楔，然後給出組合規則，這讓孩子們可以用各種複雜的方式把這些木楔組合起來。
若沒有對於數學、物理等科學的熱情，絕無可能達到父親這樣的程度。
而父親對待工作和生活的這種態度，也深深地影響了羅傑·彭羅斯，他在學習和研究的過程中，也以興趣為選擇的基礎。
「對物理學家來說，我是數學家；對於數學家來說，我是物理學家。」對於自己跨專業的身份，彭羅斯這樣定義。
不過，其實在最開始，彭羅斯還堅定地選擇要學習和研究數學。當他還是劍橋數學系研究生時，就和宇宙學家 丹尼斯(Dennis W. Sciama)成為了好友，還從丹尼斯那裡學到了很多物理知識。
丹尼斯本人，是二戰後推動英國物理學發展的重要人物，而他指導的博士生中就有大名鼎鼎的霍金。
對於彭羅斯，丹尼斯一直希望這個後輩兼朋友能夠對物理產生興趣，甚至希望他從數學專業改換到物理專業去。
面對好友的建議，彭羅斯並沒有立刻行動，因為他還被數學的吸引力深深地牽引著。用他自己的話說：還有很多知識他還沒有學，還有很多問題等待他去解決。
彭羅斯(右)與霍金
一直到1964年，丹尼斯的願望終於實現了。
當時， 33歲的彭羅斯從美國返回到英國，成為倫敦大學伯貝克學院的准教授，也終於對物理產生了極大的興趣。而他這一轉變，也將自己此前在數學領域積累的經驗帶入了物理界。
2017年諾貝爾物理學獎得主 基普·S·索恩評價道：「羅傑·彭羅斯，革新了我們用來分析時空特性的數學工具。」
興趣是最好的老師，也正是因為對於科學懷有興趣與熱情，彭羅斯才能不斷前進。
彭羅斯
兒童心理學家皮亞傑認為： 智力活動必須由一種情感性質的力量所激發，一個人從來不想學習自己不感興趣的東西。
成年人如此，孩子更是如此。想要孩子自發地、主動地學習，最好的辦法就是遵從他們的興趣，或是激發起他們的學習動機。
皮亞傑認為：
教師只是兒童學習的促進者，要尊重兒童的學習願望，不能強加給學生；
教師的作用是間接的，教師不是直接把某種現成的知識轉交給兒童，而是介紹問題和對策，讓兒童自己主動地自發學習。
跨專業的思考
為學術研究帶來新的啟發
除了這些兢兢業業的品質，羅傑·彭羅斯還與藝術有不解之緣。 藝術與數學，不僅是感性和理性的交織，也為彭羅斯帶來了新的思路。
說到藝術，家學淵源這一條在羅傑·彭羅斯的這裡仍然適用。
爺爺詹姆斯 · 多伊爾 · 彭羅斯（J. Doyle Penrose）是一位愛爾蘭畫家，尤其擅長人物肖像畫。
叔叔羅蘭·彭羅斯（Roland Penrose）就是一位傑出的藝術家，在超現實主義領域頗有名望，與畢卡索也是好友。
他生前收藏了許多畢卡索的作品，故居現在已經成為一所博物館。
父親 萊昂內爾·彭羅斯雖然沒有在藝術領域成為大家，但是也保留著作畫的習慣。
一戰期間，萊昂內爾在法國公誼救護隊( Friends』 Ambulance Unit)效力，期間他還用速寫的方式書寫自己的日記，記錄生活。
1918年萊昂內爾·彭羅斯日記中的急救火車畫像
此外，對羅傑·彭羅斯產生了重大影響的藝術家，還有 荷蘭版畫家埃舍爾。埃爾舍雖然沒有接受過數學方面的系統教育，但他的畫作中體現出了許多對數學直觀的理解。
1954年，國際數學家大會在阿姆斯特丹舉行。期間，阿姆斯特丹市立博物館展出了埃舍爾的作品。
在一眾數學家中，埃舍爾的畫作引起了羅傑·彭羅的注意。此前，彭羅斯從沒聽說過埃舍爾，但名為 《樓梯之屋》（House of Stairs）的畫作讓彭羅斯深受觸動。
或許是畫作中蜿蜒的樓梯，以及錯綜複雜的房間結構，激發了彭羅斯的興趣。在參觀完畫展之後，彭羅斯也躍躍欲試，想嘗試一些不可能的事。
最終，羅傑·彭羅斯和自己的父親一起合作，創作出了 「彭羅斯三角」與 「 彭羅斯樓梯」，探究了視覺錯覺上的一種特殊類型，並在1958年2月份的《英國心理學月刊》（British Journal of Psychology）上發表論文。
相關論文
羅傑·彭羅斯和藝術的淵源並沒有到此為止。
在20世紀70年代，彭羅斯又發明了兩種瓷磚圖形，具有極高的實用美學價值，改變了裝潢藝術。
他從數學的角度，設計出了特別樣式的瓷磚，讓這些瓷磚能夠沒有縫隙地拼合在一起，同時還能組成不重複的拼貼組合，在視覺上具有很高的藝術感。
而他這項研究也無心插柳柳柳成蔭，給現代晶體學探討的「准晶體」提供了思路。2011年， 以色列科學家丹尼爾·舍特曼就因發現准晶體而獲得諾貝爾化學獎。
特別樣式的瓷磚
隨著STEM教學興起，跨學科能力成為了教育中一股不可忽視的潮流。除了多多接觸不同媒介，彭羅斯的跨學科思考能力，更多地體現在他能夠找到不同領域和問題之間的共性，從而實現知識的遷移運用。
就像他的著名科普書籍 《皇帝新腦》一樣，在很多人看來，他用量子力學來解釋人腦的運作，是天馬行空和腦洞大開。
但他這個想法，實則起源於一堂他沒有聽懂的量子力學課。
「這個問題從此一直困擾著我，我也確實形成了這樣的想法：我們對世界的認識還有巨大的缺口，具體來說是在量子力學中，而且有可能跟我們在意識和思考時發生的過程有一些關聯。」
芬蘭的 「基於現象的學習」正是跨學科學習的代表方法。它要求學生在數周的時間裡，來解決一個現實生活中的課題。
在此，過程中，學生不僅需要學習多個學科的知識，還需要將知識運用於自己的課題；不僅有自我探究，還有小組合作。
比如：
學生在研究「可持續發展」時會用物理、化學、地理和統計的知識來研究全球變暖對於南極的影響；
「聯合國」這個話題，則涵蓋地理、 歷史、語言、宗教、政治、經濟等多個領域。
要實現遷移學習，無疑要打破各個學科之間的隔閡，跳出用單一思維解決問題的習慣。 簡單來說，一需要有強大的知識基礎，二需要有創新的視角。
在日常生活中，就是既要有各學科的知識，也要積極與他人交流，開拓思路。
諾貝爾獎對於科學家們來說，並不是唯一的肯定，但羅傑·彭羅斯在89歲高齡時獲得諾貝爾物理學獎，也算不上意外，他一生的積澱已經足以讓他在學術領域留下豐碑。
不是所有人都能獲得諾貝爾獎，教育也不是要把所有人都培養成科學家。但從這位優秀的科學家身上，外灘君仍然看到了許多值得學習的品質。
顯赫的家族或許讓他的起點比別人更高，但若沒有對科學的無窮熱情，沒有獨立思考帶來的堅持，沒有聯繫異同的跨學科思維，羅傑·彭羅斯也不會成為今天的他。
而這些品質，在不同的人身上，相信也能成就百態人生。
作者 | Luna
來源 | 外灘教育（ID：TBEducation）中國K12國際教育領先媒體，並系列化提供面向中小學生的核心素養優質在線課程。
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