讀霍金，懂與不懂都是收獲

蔡麗君

2018年3月14日，當(dāng)代偉大的著名理論物理學(xué)家、宇宙學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking ）離世?；仡櫥艚鸬囊簧?，不畏重疾、身殘志堅(jiān)是霍金的精神豐碑，他用勇氣和堅(jiān)持在輪椅上譜寫了輝煌的篇章。

你所知道的霍金

霍金出生于1942年1月8日，那天是伽利略逝世300周年忌日；霍金逝世于2018年3月14日，這天是愛因斯坦誕辰139年?！吧眢w殘疾，思想?yún)s像光速飛行。”霍金離世后，著名科幻作家劉慈欣留下了這樣的評(píng)價(jià)，這個(gè)評(píng)價(jià)也概括了霍金的一生。

霍金于戰(zhàn)火紛飛中誕生于英國牛津，父母都是高級(jí)知識(shí)分子。父親弗蘭克·霍金畢業(yè)于牛津大學(xué)醫(yī)學(xué)院，后來成為了熱帶病專家，母親伊莎貝爾·霍金先后在牛津大學(xué)學(xué)習(xí)哲學(xué)、政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)?；艚饛男〉募彝シ諊褪菄@著讀書，家里的裝修、家具都很簡(jiǎn)單，但到處都堆放著書。即使是在餐桌上吃飯的時(shí)候，也經(jīng)常是爸爸、媽媽、霍金及兩個(gè)妹妹每人手里捧著一本書，邊讀邊吃飯。

霍金于1959年在牛津取得自然科學(xué)一級(jí)榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位，20歲就前往劍橋大學(xué)研究宇宙學(xué)。不幸的是，21歲的霍金被診斷出患有肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥，即“漸凍人癥”。2014年流行的“冰桶挑戰(zhàn)”，就是為了引起大家對(duì)“漸凍人癥”的注意。當(dāng)時(shí)醫(yī)生斷言霍金只剩下兩年生命。他很快接受了這一現(xiàn)實(shí)，并看開一切，說：“在我21歲時(shí)，我的期望值變成了零，自那以后，一切都變成了額外津貼。”

隨著病情發(fā)展，他的身體漸漸失去控制并嚴(yán)重變形，之后喪失了語言能力，僅3根手指可以活動(dòng)，再慢慢甚至連眼球追蹤技術(shù)都無法準(zhǔn)確鎖定他的目光，只能靠臉部一塊肌肉活動(dòng)。但即便這樣，他仍堅(jiān)持探尋科學(xué)真諦，不斷在宇宙學(xué)、物理學(xué)上攀越高峰。在身體每況愈下的情勢(shì)中，他都不曾懈怠，一直活躍在科研前線陣地。

1962年，霍金來到劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位，1979年-2009年任劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)教授（劍橋歷史上最為崇高的兩大教席之一），從教授職位上退休后，又繼續(xù)擔(dān)任應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理系首席教授，直至逝世。

1982年，他獲得了英國皇家大英帝國司令勛章，1989年獲得英國皇家榮譽(yù)勛爵，2009年獲得美國總統(tǒng)自由勛章，以及皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng)?wù)?、阿爾伯特·愛因斯坦科學(xué)獎(jiǎng)、皇家天文學(xué)會(huì)金獎(jiǎng)、基礎(chǔ)物理獎(jiǎng)、BBVA基金會(huì)基礎(chǔ)科學(xué)前沿獎(jiǎng)，等等。還曾被授予英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、羅馬教皇科學(xué)院院士、美國科學(xué)院院士等稱號(hào)。

他幾十年間過著輪椅上的生活，足跡卻遍布全球，三次來到中國，兩次登上長(zhǎng)城。在他學(xué)院書房的墻壁上，掛著一幅漢字書法作品“人去留影”。他只能借助語音合成器說話，幾分鐘才能講出一個(gè)簡(jiǎn)單的句子，卻寫出了科普創(chuàng)作的豐碑——《時(shí)間簡(jiǎn)史》，被譯成40余種文字，銷往全球，點(diǎn)燃了幾代人心中的科學(xué)火種。他于2001年完成的《果殼中的宇宙》，在2002年獲得世界最知名科普?qǐng)D書獎(jiǎng)之一的安萬特科學(xué)圖書獎(jiǎng)。

你不知道的霍金

作為享譽(yù)全球的物理家，霍金可謂是個(gè)擁有多重職業(yè)和身份的人，絲毫沒有因?yàn)榧膊∮绊懰鲎约合矚g的事情。霍金有三大愛好：物理、打賭和唱歌。雖然他的賭運(yùn)并不怎么樣。他曾經(jīng)同朋友賭了三次有關(guān)黑洞的賭局，霍金全都輸了。他喜歡各種各樣的音樂，流行、古典、搖滾、歌劇，等等。雖然因?yàn)榧膊∫巡荒馨l(fā)聲，但在1994年與2014年，他利用電子發(fā)聲器獻(xiàn)聲，和英國大神級(jí)迷幻搖滾樂團(tuán)平克·弗洛伊德（Pink Floyd）合作錄制了搖滾作品“Keep Talking”等。

他多次在電影、電視劇中客串他自己。在卡通片《辛普森一家》里，他以動(dòng)畫形象，坐著會(huì)飛的輪椅向男主角大談黑洞、奇點(diǎn)、宇宙維度，并親自配音；在電視劇《星際旅行》中，他同劇中的“牛頓”、“愛因斯坦”一起玩紙牌；在喜劇《生活大爆炸》中，他以客座教授的身份在謝爾頓所在的大學(xué)進(jìn)行為期數(shù)周的授課。

霍金的樂觀和幽默也讓人津津樂道，他自己也承認(rèn)“我是個(gè)樂觀主義者”，正是憑借這種樂觀的心態(tài)對(duì)抗病魔逾50年。早在1969年，霍金就被迫坐上了輪椅，但他并沒有因此消沉，他甚至喜歡上了“輪椅飆車”這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。他經(jīng)常把電動(dòng)輪椅開到全速檔，疾駛到馬路中間，享受助理被嚇壞的表情。他有一個(gè)特殊的“愛好”——據(jù)美國《每日野獸》（ The Daily Beast ）報(bào)道，霍金最喜歡做的事，就是用輪椅軋過討厭的人的腳趾頭。在1976年的一次英國皇家宴會(huì)中，英國王子查爾斯就不幸中招，霍金軋過他的腳趾之后，還高興地開著輪椅在地上轉(zhuǎn)了一圈。早在1988年，美國《人物》雜志就將霍金稱為世界上最有趣的25個(gè)人之一。在《時(shí)代》雜志的“10問霍金”中，有一個(gè)問題是“你覺得人類有一天會(huì)理解物理學(xué)的全部嗎？”霍金幽默風(fēng)趣地回答，“我希望沒有那一天，不然我就要失業(yè)了。”正是生活中無時(shí)無刻的幽默感，使得霍金給自己的人生帶來了無限的可能。

在探索科學(xué)的道路上，他曾說：“要嘗試找出眼前事物的意義，探究是什么讓宇宙存在。要有好奇心，無論生活多么艱難，也總會(huì)有你能做并能成功的事情。絕不放棄，這非常重要?！彼粍儕Z了一個(gè)理論物理學(xué)家用紙筆計(jì)算的權(quán)利，卻能在腦海中推演整個(gè)宇宙的運(yùn)轉(zhuǎn)，推開通往量子引力的大門。

霍金的理論貢獻(xiàn)

在大多數(shù)人看來，霍金是一個(gè)純粹的文化符號(hào)——每個(gè)人都知道他的名字，卻幾乎沒有人真正理解他在物理學(xué)領(lǐng)域做了什么。對(duì)于大部分人來說，“霍金到底偉大在哪兒？他為何而出名？”這是一個(gè)很難回答的問題。這一切，都要從我們?cè)撚檬裁蠢碚摻忉屵@個(gè)世界的一切說起。

從16世紀(jì)起，伽利略、開普勒、惠更斯……一批又一批的科學(xué)家，把他們觀察的目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了宇宙，嘗試解釋更多的天文現(xiàn)象。然而，這樣的物理，是有局限的。我們觀察到的范圍很有限，我們能實(shí)驗(yàn)的范圍也很有限。

直到牛頓橫空出世。牛頓的偉大不但在于他試驗(yàn)和總結(jié)得出了“F=ma”這個(gè)公式，更關(guān)鍵的是，他認(rèn)為這個(gè)公式適用于世界上的所有物體，小到蘋果和皮球，大到太陽和星系……在F=ma之上，牛頓用數(shù)學(xué)和各種公式設(shè)立了一整套物理體系，他把力、速度、加速度、能量、動(dòng)量等各種概念都嚴(yán)格定義了出來，用數(shù)學(xué)方式找到了它們之間的關(guān)系。牛頓還通過大量實(shí)驗(yàn)，證明了任何兩個(gè)物體之間都存在著吸引力，總結(jié)出萬有引力定律。人們第一次發(fā)現(xiàn)，世界上的很多東西，用牛頓的這套理論可以被精確地計(jì)算出來。牛頓的這套理論，也被稱為經(jīng)典物理學(xué)。

隨著人們對(duì)這個(gè)世界了解的不斷深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在很多領(lǐng)域，經(jīng)典物理學(xué)解釋不了他們發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。出現(xiàn)偏差的部分，主要來自極大和極小的兩端。一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子是，在牛頓的體系里，如果加速度保持不變，那么物體的速度應(yīng)該會(huì)達(dá)到無窮大，可在現(xiàn)實(shí)世界里，我們并沒有能找到任何一個(gè)物體的速度能突破光速。為了解釋這兩端的現(xiàn)象，兩個(gè)截然不同的科學(xué)體系出現(xiàn)了：那就是解釋宏觀（也就是極大）體系的愛因斯坦的相對(duì)論，以及解釋微觀（也就是極小）體系的普朗克的量子力學(xué)。

1910年，相對(duì)論橫空出世。愛因斯坦用另外一種體系解釋了宇宙。就拿地球?yàn)槭裁磿?huì)繞著太陽公轉(zhuǎn)舉例。牛頓認(rèn)為，在巨大的物體附近，存在著一種“力場(chǎng)”。這種力場(chǎng)就像磁場(chǎng)一樣，對(duì)其中的其他物質(zhì)有吸引力。正如同太陽吸引著地球，地球吸引著月球，甚至地球吸引著那個(gè)蘋果。而愛因斯坦的相對(duì)論認(rèn)為，引力本身就是時(shí)空的一部分，是時(shí)空的幾何屬性。當(dāng)物體的質(zhì)量大到一定程度，其附近的空間就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而改變周邊一切物體的運(yùn)動(dòng)模式。比如地球繞著太陽轉(zhuǎn)，衛(wèi)星繞著地球轉(zhuǎn)。

據(jù)此，科學(xué)家推斷出了一個(gè)在當(dāng)時(shí)看來近乎天方夜譚的觀點(diǎn)：如果有一個(gè)質(zhì)量極大的恒星，它自身產(chǎn)生的重力也無比巨大，最終恒星必定會(huì)因?yàn)椴豢白陨碇刎?fù)而坍縮成一個(gè)密度和曲率都無窮大、體積無窮小的點(diǎn)。在這個(gè)點(diǎn)的周邊，會(huì)創(chuàng)造出一片引力極強(qiáng)、質(zhì)量極大、連光都無法逃出的特殊區(qū)域。在時(shí)空的維度上，就像一個(gè)無比深凹的洞?？茖W(xué)界給定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的名詞：黑洞。而霍金的理論主要就解釋了兩大問題：黑洞的中心究竟是什么，以及在黑洞的邊緣發(fā)生了什么。

1970年，霍金與羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）合作，用嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)推理證明：如果你能進(jìn)入黑洞中心，就會(huì)發(fā)現(xiàn)里面關(guān)于黑洞的所有質(zhì)量，都會(huì)匯聚到一個(gè)點(diǎn)上——奇點(diǎn)，一個(gè)體積無限小、彎曲無限大、密度無限大、引力無限大的一個(gè)點(diǎn)。之前，人們對(duì)奇點(diǎn)的形成有所爭(zhēng)論，認(rèn)為在形成奇點(diǎn)的過程中會(huì)發(fā)生其他事情。而霍金和彭羅斯一起從理論上證明了黑洞中心奇點(diǎn)的存在。這也是他學(xué)術(shù)生涯中第一個(gè)舉足輕重的定理：奇點(diǎn)定理——黑洞的中心存在一個(gè)奇點(diǎn)。

那黑洞的邊緣又會(huì)發(fā)生什么？最初的時(shí)候，霍金也跟主流科學(xué)界一樣，認(rèn)為黑洞是一個(gè)只吞不吐，永遠(yuǎn)吃進(jìn)周圍物質(zhì)，質(zhì)量不斷增加的物體。然而經(jīng)過思考和研究，他創(chuàng)立了一個(gè)理論：黑洞確實(shí)在放出黑體輻射，而且黑洞的質(zhì)量，是在不斷減少的。這一切，被稱為“霍金輻射理論”。

為了解釋自己的這個(gè)理論，霍金在學(xué)術(shù)界破天荒地用了相對(duì)論之外的另一套物理體系來解釋自己的理論——量子力學(xué)。量子力學(xué)告訴我們，時(shí)空是分散的。在真空中，隨時(shí)會(huì)憑空出現(xiàn)一對(duì)虛粒子對(duì)：一個(gè)正粒子和一個(gè)反粒子，一個(gè)攜帶正能量，一個(gè)攜帶負(fù)能量。這些虛粒子會(huì)憑空出現(xiàn)，存在極短的一段時(shí)間，然后又相互碰撞結(jié)合而湮滅。因?yàn)樗麄兇嬖诘臅r(shí)間極其短而無法被檢測(cè)到，所以將他們稱為虛粒子。

霍金把這個(gè)理論，用在了解釋黑洞邊緣上?；艚鹫J(rèn)為，如果剛好有一對(duì)虛粒子，產(chǎn)生在黑洞的這個(gè)邊緣，由于黑洞的引力很強(qiáng)，有可能有一個(gè)跌入黑洞，而另一個(gè)沒有。因?yàn)閮蓚€(gè)虛粒子一個(gè)有正質(zhì)量，而一個(gè)有負(fù)質(zhì)量，因此被吸入的是負(fù)質(zhì)量的那個(gè)。

按照量子理論，這正反粒子應(yīng)該是一出現(xiàn)，馬上就會(huì)互相碰撞湮滅掉而達(dá)到能量守恒的，然而在這種情況下，一個(gè)粒子被吸入黑洞，另一個(gè)粒子沒法跟它碰撞湮滅。一個(gè)虛粒子，變成了一個(gè)有正能量的實(shí)粒子。那這個(gè)能量是哪來的？

霍金的解釋是，這個(gè)離開黑洞的粒子的質(zhì)量，一定是從黑洞本身的質(zhì)量而來的。黑洞吞噬了一個(gè)負(fù)能量的粒子，減少了自己的質(zhì)量，而另一個(gè)含有能量的粒子離開了黑洞。這一切，在外面看來，就像黑洞在發(fā)射粒子一樣。這些粒子是從黑洞邊緣空虛的空間里變出來后逃逸出來的，但在逃逸過程中帶走了黑洞的能量。

與此同時(shí)，墜入黑洞的粒子質(zhì)量為負(fù)，在它們的作用下，黑洞變得越來越小，直至消失。這個(gè)過程叫做黑洞蒸發(fā)，當(dāng)然，此過程非常漫長(zhǎng)。由于體積不斷變小，黑洞自己也有生命的終點(diǎn)。它最終會(huì)變成一個(gè)迷你黑洞，在黑洞生命最后階段的時(shí)刻，這個(gè)迷你黑洞會(huì)爆炸，其威力相當(dāng)于100萬顆百萬噸級(jí)的氫彈。在一場(chǎng)大爆炸中，黑洞的一切，灰飛煙滅。

我們現(xiàn)在所處的宇宙，曾經(jīng)就是一個(gè)奇點(diǎn)，即所謂的宇宙大爆炸奇點(diǎn)。隨著這個(gè)奇點(diǎn)爆炸，這才形成了星系、恒星、行星以及人類。世間萬物，都由此而來，這就是宇宙的起源。

在宏觀和微觀的世界上，人們創(chuàng)立了兩種不同的體系來解釋不同的事物。多少年來，科學(xué)界一直想找出一種方法，能夠統(tǒng)一相對(duì)論和量子力學(xué)。然而一直沒有誰能完成，而霍金用相對(duì)論和量子力學(xué)來解釋黑洞邊緣，來解釋黑洞質(zhì)量減少的理論，卻是在當(dāng)時(shí)走出了這大一統(tǒng)的第一步。雖然人們無法觀察到黑洞發(fā)出的霍金輻射，但是從霍金的研究出發(fā)，后來的科學(xué)家又有了很多驚人的發(fā)現(xiàn)。例如，黑洞的溫度和熵?？茖W(xué)界至今雖然公認(rèn)霍金輻射在理論上可行，但仍未能從觀察中發(fā)現(xiàn)它的存在，這也就是為什么霍金的貢獻(xiàn)非常偉大，但無法獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的原因。

史蒂芬·霍金，或許不是當(dāng)代最偉大的物理學(xué)家，但毋庸置疑是最有影響力的物理學(xué)家之一。他留給我們的，不僅僅是他的大爆炸、黑洞理論，還有他與病魔抗?fàn)幍臉酚^，笑對(duì)生活的風(fēng)趣，以及妙語連珠的睿智。我們不應(yīng)該感到悲傷，應(yīng)該笑著送別這個(gè)擁有智慧，更擁有趣味的科學(xué)家，他教會(huì)我們的，遠(yuǎn)比宇宙更多。

（作者單位為美國舊金山州立大學(xué)物理與天文系）