霍金七十年

今年霍金就七十歲了。他于二十一歲時被診斷患了盧伽雷絕癥后，迄今已存活了四十九年，這本身就是一個生命奇跡。然而，對于這樣一位科學家兼思想家，他的生涯應是他科學思想發(fā)展的歷程，而他個人健康演變只能成為輔助的背景，盡管那也是令人極為欽佩的。此外，由于他在理論物理和理論宇宙學諸多領域有開創(chuàng)引領之功，他的學術生涯必然和近半個世紀的這些學科推進同步，而他的思想發(fā)展體現(xiàn)著這些學科演化的脈絡。

宇宙的存在和起源問題是人類的最大迷思之一，盡管各種文明都有過宇宙從何而來的詰問，但宇宙演化的思想絕非思辨的結果。且不說兩千年前的亞里士多德，哪怕是晚很多的偉大的康德，在他的名著《純粹理性批判》中思索時間有無起始即是否有限，以及空間有無邊界即是否無限之際，也從未有過宇宙演化的明確思想。誠然，康德在《自然通史和天體論》中提出了星系演化的學說，但那和宇宙整體的演化是兩回事。他關于時空有限無限的論證是在基于空間是平坦的以及宇宙在本質(zhì)上不演化的先驗假設上進行的。尤其值得注意的是，這兩個“即”只有在這個前提下才是成立的。這個前提排除了宇宙在空間上有限無界和在時間上自然地創(chuàng)生和終結的可能性。

由于人類活動的時間尺度和宇宙壽命相比微不足道，宇宙演化很難被我們覺察到。宇宙在本質(zhì)上不演化的觀念可謂根深蒂固，這種觀念直到近代才被改變。一九二九年哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律：他觀察到大多數(shù)星系正飛離我們而去，其速度和與我們的距離成正比，這意味著宇宙正在膨脹。這還表明，在時間上回溯到有限的過去，這些物體應聚集于一處。在天文學家當時的觀念中，甚至在當今不具備廣義相對論常識的人中，這個發(fā)現(xiàn)被解釋為這些星系在相互離開，而時空是不變的。其實，在愛因斯坦一九一五年提出廣義相對論后，這個場景應該被正確理解成宇宙的空間在膨脹。他在一九一六年發(fā)表的第一篇相對論性宇宙學的論文中，由于引力的吸引作用得不到宇宙的穩(wěn)恒的解，因而為了抗衡引力，他引進了所謂的宇宙常數(shù)。他的宇宙模型是一個穩(wěn)恒的三維球。一九二二年，弗里德曼從廣義相對論得到過膨脹宇宙的模型，在該模型中，宇宙從尺度為零的大爆炸奇點開始膨脹，其膨脹速度因引力吸引逐漸減小，直至達到最大尺度，然后再收縮到零尺度，收縮相是膨脹相的時間反演。但弗里德曼的研究早先沒有得到承認。愛丁頓把哈勃定律揭示的宇宙膨脹場景正確地比喻成一個畫滿斑點(星系)的正被吹脹的氣球表面。這個表面代表一個二維的宇宙，在每個斑點上的觀察者都會感覺到其他斑點離他而去。

一九四八年伽莫夫等發(fā)表了大爆炸宇宙核合成的論文，他們估算出，現(xiàn)在宇宙中主要成分是氫和氦元素，其中氦元素在質(zhì)量上占四分之一左右。后來霍伊爾等研究出較重的核合成過程。人們還預言，在大爆炸之后約三十八萬年，光子和物質(zhì)不再耦合，宇宙對于光子成為透明的了，而早期輻射由于受到宇宙膨脹紅移，在當今變成處于微波波段的背景輻射。我們用光學手段只能觀測到去耦后而非去耦前的宇宙場景。一九六四年彭齊亞斯和威爾遜意外地觀察到這個三度開爾芬的宇宙背景微波輻射。大爆炸宇宙模型從此被科學界主流接受。

霍金于一九六七年在劍橋開始了引力物理和宇宙學的研究生涯。一九七○年他和彭羅斯證明了廣義相對論中的奇性定理。在經(jīng)典物理的框架中，宇宙大爆炸和黑洞內(nèi)部都存在奇點，在那里物理定律甚至因果律都崩潰了。

他和卡特、伊斯雷爾、羅賓遜和惠勒證明了黑洞的無毛定理，即一切穩(wěn)態(tài)的黑洞都可由它的質(zhì)量、電荷和角動量完全描述。從此黑洞就被認為是宇宙間最美麗的天體。

黑洞的表面是被稱為視界的單向膜，物質(zhì)和信息在視界處只進不出。一九七二年他證明了黑洞面積不減定理，單獨黑洞視界的面積永不減小，而幾個黑洞合并后形成的黑洞的視界面積不小于原先黑洞視界的總和。這個結果使柏肯斯坦猜測到，黑洞視界面積代表著被它隱蔽的黑洞內(nèi)部的信息量即熵，而視界的每普朗克面積單位儲存一個比特信息。之后，霍金和巴丁、卡特寫了黑洞力學四個定律的論文，雖然這四個定律和熱力學非常類似，但他們反對柏肯斯坦的猜測。

一九七四年霍金發(fā)表了他一生影響最深遠的黑洞輻射的研究。他考慮到量子場在視界附近的漲落，發(fā)現(xiàn)粒子可以從黑洞內(nèi)穿透視界而蒸發(fā)出來，這樣黑洞的質(zhì)量由于粒子逃逸而減小。飛向遠方的粒子具有黑體的熱譜。在最簡單的黑洞情形下，其溫度和黑洞質(zhì)量成反比。由此在最后階段，黑洞的質(zhì)量變得極小而溫度變得極高，黑洞以爆炸而終結。在黑洞輻射的場景中，相對論、量子論和熱力學得到了漂亮的統(tǒng)一。

霍金接著指出，由于黑洞輻射的熱譜不攜帶信息，所以引力坍縮前物體攜帶的信息就丟失了。在黑洞參與下，量子的純態(tài)就會演化成混合態(tài)。而微觀黑洞或時空泡沫無所不在，純粹量子態(tài)的演化便不可能。這就是引起量子論家恐慌的黑洞信息丟失悖論。

霍金的結果表明柏肯斯坦的猜測是正確的。柏肯斯坦進而指出，對于一個靜態(tài)的物質(zhì)配置，在給定的外圍面積下，熵也就是內(nèi)部可以儲存的信息有個最大值，只有黑洞才達到這個上限。人們從二十世紀八十年代開始努力將這個結果推廣成后來在量子引力和弦論中的全息原理，并且認為一個空間區(qū)域內(nèi)部的態(tài)，可由在邊界上的編碼來描述。

粒子物理學家對黑洞信息丟失悖論一直如鯁在喉。一九九九年威爾澤克等將霍金輻射作為隧穿問題來考慮。隧穿是量子論百年來的一個基本問題，但以往所有的工作都假定粒子在恒定的勢壘中穿過，或至少粒子對勢壘沒有反作用。而在霍金輻射中，粒子的穿越過程引起黑洞質(zhì)量減小，勢壘則隨之改變，這是勢壘和粒子相互作用的動力學過程。他們以非常巧妙的計算表明，霍金輻射并不擁有嚴格的黑體熱譜，它攜帶出黑洞內(nèi)的信息。這個研究在用純粹引力物理手段解決悖論的方向上邁出了關鍵一步。

二○○四年霍金宣布他認為黑洞視界應允許信息逃逸，因而悖論不再成立。

霍金輻射的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了引力熱力學的新學科。受它的啟發(fā)，安茹發(fā)現(xiàn)粒子在真空的平坦時空作加速運動會感受到和加速度成正比的溫度。關于這個溫度的物理含義仍然不清楚。但是，雅各伯遜論證道，將安茹效應和物理定律在任何彎曲坐標系的形式都一致的原理結合，就足以將廣義相對論導出。

由于引力量子化一直沒有成功，許多人認為，引力和其他基本的力——弱電力和強力不同，也許不是基本的力。受引力熱力學的啟發(fā)，有人提出引力本身是一種由熱力學導出的熵力，甚至時空也是附帶涌現(xiàn)出來的。在亞里士多德—牛頓—康德的觀念中，時空是先驗存在的，物質(zhì)對它無作用；而在愛因斯坦的觀念中，時空告訴物質(zhì)如何運動，物質(zhì)告訴時空如何彎曲?，F(xiàn)在的觀念是，在物質(zhì)運動時或者熵流變時時空伴隨著涌現(xiàn)，不僅兩者相互作用，而且存在性也相互依存。就時空觀和宇宙觀而言，科學開創(chuàng)的敏銳和想象的奇妙是其他學科望塵莫及的。

大爆炸宇宙模型成功的背后還隱藏著危機。因為愛因斯坦場方程的宇宙解即演化對于初始條件是極不穩(wěn)定的，初始條件的極小改變就會導致面目全非的演化。上世紀八十年代一些人提出，在宇宙大爆炸后的極其短暫的時期應經(jīng)歷過一個指數(shù)式的暴脹的階段。有過這個階段，當今的宇宙就變得非常平坦，既沒有過早收縮，又沒有膨脹過速以致來不及形成星系，在天穹的原先以為不可能有過交流但具有同樣溫度的不同區(qū)域就可以有過因果關聯(lián)。最可貴的一點是，由于暴脹將之前的宇宙無規(guī)性攤開抹平，暴脹階段的量子場的漲落就變成在后來大爆炸宇宙模型中的星系、星系團等的結構起源的僅有的籽。馬瑟和斯穆特借助一九八九年發(fā)射的COBE衛(wèi)星精密地測量到二點七二五開爾芬的宇宙微波背景的黑體譜和各向異性，其中溫度的相對起伏為十萬分之一。

暴脹模型的指數(shù)式暴脹實現(xiàn)依賴于一個稱為暴脹子的場，它具有一個暴脹勢。在暴脹相之前宇宙處于某種假真空狀態(tài)，那時暴脹勢的作用類似于宇宙常數(shù)，使得宇宙以指數(shù)式膨脹，宇宙的狀態(tài)從暴脹勢的假真空慢慢滾下而不必隧穿勢壘，以免形成和宇宙均勻性相沖突的泡。但假真空的初始假設表明，標準大爆炸模型的問題在暴脹模型中只是被緩解，而沒有被徹底解脫?；艚鹛岢?，在勢壘的頂峰可以自發(fā)產(chǎn)生一個四維球的瞬子，它滾下的過程即伴隨著暴脹，這顯然要自然得多。暴脹模型的另一個問題是，假定的暴脹子和暴脹勢的物理基礎還沒被找到。

實質(zhì)上，無論是標準大爆炸模型還是暴脹模型遭遇到的困難都是第一推動的問題。在一般的物理系統(tǒng)中，初始或邊界條件可任意選取，所以不是研究的對象。但宇宙不同，因為宇宙，至少我們居住的宇宙，是唯一的，所以宇宙的邊界條件和物理定律一樣重要?；艚鹫撟C道，對于宇宙的邊界條件，沒有任何一種設想會比宇宙的邊界條件是它沒有邊界的設想更合理。這個設想由利用費恩曼的歷史求和得出宇宙的波函數(shù)來實現(xiàn)。由此宇宙學不僅成為自洽的，而且是自足的了。也只有這樣，宇宙學才具有預見性。

人們可以從無邊界宇宙的波函數(shù)來研究和預言宇宙中的一切，諸如暴脹、各向同性、結構的起源、太初黑洞、太初引力波、時空維數(shù)和時間箭頭等。值得指出的是，至此研究的創(chuàng)生的宇宙模型都是閉合的。

一九九八年施密特和里斯，以及保穆特，利用Ia型的超新星作為標準燭光，發(fā)現(xiàn)了宇宙在加速膨脹，這是一個令人吃驚的結果。這樣，宇宙中的物質(zhì)成分就必須和原先設想的大不一樣。要使宇宙加速膨脹，必須擁有和引起膨脹減速的可見物質(zhì)和暗物質(zhì)不同的成分，這種成分被稱為暗能量。人們對于暗能量的其他稟性一無所知。之后幾年，微波背景輻射、引力透鏡和宇宙大尺度結構，還有改善的超新星測量的研究一起得到共識，宇宙中暗能量占總能量的百分之七十三，暗物質(zhì)占百分之二十三，余下的是可見物質(zhì)；宇宙極其平坦。許多人認為，暗能量很可能就是愛因斯坦在近一百年前引進的宇宙常數(shù)。若如此，宇宙在遙遠未來將無限地指數(shù)式地膨脹下去，最終趨向極低固定溫度的冷寂。要在理論上論證存在這個宇宙學家認為很大、而粒子物理學家認為極小的宇宙常數(shù)是極為困難的。

觀測宇宙學家宣布宇宙極其平坦，理論宇宙學家就面臨著研究開放宇宙的創(chuàng)生問題。一九九八年后，霍金和圖洛克發(fā)表了幾篇很有影響的開放宇宙創(chuàng)生的論文，但二○○九年圖洛克在劍橋承認這個問題還是未被解決。

物理科學的桂冠是實現(xiàn)愛因斯坦的世紀夢想——尋求統(tǒng)一理論。從二十世紀七十年代開始，人們在理論上發(fā)現(xiàn)了存在于物質(zhì)和力即費米子和玻色子之間的超對稱，由此發(fā)展了超引力、超弦和M理論。許多人認為還未成功的M理論很可能是個終極理論。但M理論是一族理論網(wǎng)絡，五種弦論和超引力是它在不同情形下的近似。在M理論中時空是十一維的，這是由M理論的自洽性要求的。

在科學王國中，世間的一切都由這些定律制約，這使得自由意志無存身之處。在拉普拉斯的決定論框架中，宇宙生命是暗灰色的?；艚鸬臒o邊界設想的宇宙創(chuàng)生理論雖然成功地把超自然的造物者摒除于宇宙事務之外，但人們發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙環(huán)境和表觀定律似乎被仔細地調(diào)諧過，使得生命和智慧得以發(fā)展。

M理論為此提供了解釋。它擁有多于10500個不同的宇宙解。即便不同的宇宙都存在，它們之間也沒有交流。然而，霍金提出，由觀察者存在的條件對我們的環(huán)境甚至我們四維時空表觀規(guī)律的要求，會把我們的世界從“多世界”中挑選出來，這種思想被稱為人擇原理。我們的存在要求其中的七維被卷縮，而我們生活在余下的四維大尺度時空中。七維的卷縮方式?jīng)Q定我們四維時空的表觀定律。人擇原理要求表觀定律必須如此這般，特別是，要求我們棲息的世界的狀況和太陽系相差無幾，要求基本粒子服從稱為標準模型的理論。至少在這個意義上，我們自身參與了宇宙的創(chuàng)造。霍金于上世紀七十年代就在經(jīng)典宇宙學中研究過人擇原理，在人們發(fā)展了M理論后，這個原理得到充分的闡釋。

M理論在數(shù)學上非常美妙，也能包容之前的許多理論模型，這是許多優(yōu)秀的頭腦致力于研究它的原因。但在物理上，M理論至今仍缺乏特有的基本原理，這與狹義相對論和廣義相對論分別有光速不變原理和等效原理作為基礎迥然不同。超對稱當然是M理論中的一個非常重要的原理，但它并非專為M理論提出的，它的提出比M理論要早得多。

M理論還未被觀測所證實，甚至還未能獨立地提出過一個可被證偽的預言。弦論家們預言M理論很可能實現(xiàn)愛因斯坦統(tǒng)一理論之夢，但就目前而言，還遠未像相對論和量子論那樣被廣泛接受。

霍金的無邊界宇宙的設想無論在科學上、哲學上還是美學上都具有巨大的魅力，而許多人認為M理論也許是我們夢寐以求的萬物理論，那么為何這些美妙的理論必須存在宇宙去實現(xiàn)它們呢？這就牽涉到何為實在的問題。霍金認為，哲學為了和當代科學的成就相容，必須采納他稱為依賴模型的實在論：所謂實在只不過是一族協(xié)調(diào)的并與觀測符合的定律，此外別無他意。

目前我們知道，宇宙的壽命是一百三十七億年，而人類獲取宇宙知識絕大部分僅發(fā)生在近一百年內(nèi)?；艚鸬钠呤晟谶@一歷程中留下了深刻的印記。

近百年的人類發(fā)展的確是空前的，但資源和環(huán)境的代價也是空前的，下一百年又如何呢？霍金說：“地球人口急劇增加，但地球資源有限。此外，人類的技術可以令環(huán)境變得更好，或更壞?？墒?，人類的基因仍然有私心、野心的本能。這在以前是生存的要素，但在未來百年要避免災難會很困難?！彼€說：“人類要長期生存，不能靠躲在地球度日，必須往太空發(fā)展。”鑒于這樣的一種前景，一切規(guī)劃就得以這個極限來制定，但愿人類的智慧和優(yōu)雅最終能戰(zhàn)勝貪婪和愚昧。

（《大設計》，霍金、蒙洛迪諾著，吳忠超譯，湖南科學技術出版社二○一一年版，48.00元）