心勝于物
——羅杰·彭羅斯憶霍金

編譯 高斯寒

作為一位理論物理學家，斯蒂芬·霍金對人類理解宇宙本質(zhì)作出了革命性的貢獻。

2005年，斯蒂芬·霍金在他位于劍橋大學應(yīng)用數(shù)學與理論物理系的辦公室內(nèi)

享年76歲的斯蒂芬·霍金的這張照片作為心智戰(zhàn)勝物質(zhì)困難的真實象征，一下子就吸引了大眾。照片中的霍金坐在電動輪椅里，腦袋微微向一側(cè)扭曲，雙手交叉放置，操縱遙控器。就像古希臘的德爾斐神諭一樣，身體的障礙得到了近似超自然天賦的彌補，這種天賦使得他的心智能夠自由自在地翱翔于宇宙，時而神秘地揭示出一些深藏起來、不讓凡人一閱的秘密。

當然，這樣一幅浪漫的畫面只能代表部分真相。認識霍金的人會清楚地意識到他身上占支配地位的一個活生生的人類身影，有著對生命、上佳的幽默、堅定決心的巨大熱情，然而又有正常的人類弱點以及更為明顯的長處。通常的理解中，他是“No.1的著名科學家”，顯然他從這個角色中獲得極大樂趣；諸多受眾會參加他的公開講座，而這大概并不總是只為了科學啟迪。

科學界很可能形成更加審慎的評估。他對理解物理學和宇宙幾何學作出許多令人印象深刻、有時是革命性的貢獻，因此得到極高的評價。

21歲生日后不久，霍金被診斷為罹患了一種非特定的、無藥可治的疾病，當時被確定為致命的退行性運動神經(jīng)元疾病——肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥，或者簡稱為ALS。隨后不久，他沒有屈服于抑郁情緒，而是開始將目光投射到某些最基本的、關(guān)于宇宙的物理本質(zhì)的問題上。到了適當?shù)臅r候，他會克服最嚴重的身心障礙，達到超乎尋常的成功。他藐視既有的醫(yī)學意見，得以繼續(xù)活了55年。

他的家庭有學術(shù)界背景，盡管并不是直接與數(shù)學或物理學有關(guān)。他的父親弗蘭克是一位熱帶病專家，他的母親伊索貝爾（母家姓為沃克）是一名自由思想的激進分子，對霍金有著深遠的影響。霍金出生于牛津，8歲時遷居至赫特福德郡的圣奧爾本斯。他在圣奧爾本斯學校接受教育，榮獲獎學金，在牛津大學的大學學院學習物理學。他被導師們認定為有著不同尋常的能力，但他沒有認真對待學業(yè)。盡管他在1962年獲得了一等學位，但這并不是特別突出的成績。

他決定在劍橋大學三一學堂繼續(xù)學習物理，打算在杰出的宇宙學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）門下學習。但他失望地發(fā)現(xiàn)，霍伊爾無法收他為弟子，當時在同一個研究領(lǐng)域可選的老師是丹尼斯·夏默（Dennis Sciama），霍金對他一無所知。結(jié)果證明成為夏默的學生是一件幸事，因為夏默正逐漸成為英國宇宙學領(lǐng)域的一位出色的伯樂，他指導的多位學生日后會在歷史上留下自己的鼎鼎大名（其中包括未來的英國皇家天文學家——勒德洛的里斯男爵）。

夏默似乎了解當時物理學的所有研究動態(tài)，尤其是在宇宙學領(lǐng)域，而且他向所有遇到他的人傳達富有感染力的激情。在整合和團結(jié)科研人員方面，他也十分高效，這些科研人員掌握著重要的知識，值得進行彼此間的交流。

當霍金在劍橋大學的研究生涯進入第二年時，我（當時在倫敦的伯貝克學院）已經(jīng)建立了一種相關(guān)的數(shù)學定理。它基于一些看似有理的假設(shè)（利用了全局/拓撲學技巧，當時的物理學家大體上還不熟悉這些知識），顯示一顆坍縮中的特大質(zhì)量恒星會成為時空中的一個奇點——在這個奇點上，密度和時空曲率預計會變成無限大——并給予我們一幅如今稱為“黑洞”的畫面。這樣的時空奇點會藏在一種“視界”的內(nèi)部深處，信號或物質(zhì)實體都無法從中逃離。（這幕畫面在1939年就已經(jīng)由羅伯特·奧本海默和哈特蘭·斯奈德提出，但僅僅在假定了嚴格球?qū)ΨQ的特殊情況下。這條新定理的目的是排除這樣不切實際的對稱性假設(shè)。）在這個中心的奇點，愛因斯坦廣義相對論的經(jīng)典理論會達到極限。

與此同時，霍金也已經(jīng)在與喬治·埃利斯一起思考這類問題，埃利斯當時在劍橋大學圣約翰學院攻讀博士學位。兩人當時在鉆研一類更為局限的“奇點定理”，需要有一條不合理的限制性假設(shè)。夏默特意讓霍金和我碰頭，而且霍金沒用多少時間就找到一個辦法，以一種出人意料的方式運用了我的定理，于是它可以應(yīng)用（以時間反演的形式）于宇宙學背景，顯示出被稱為“大爆炸”的時空奇點不僅是標準高對稱性宇宙模型的特征，也是任何性質(zhì)上相似但不對稱的宇宙模型的特征。

我的原始定理中的一些假設(shè)在宇宙學背景下，比起針對恒星坍縮成黑洞的過程而言，似乎沒那么自然。為了將數(shù)學結(jié)果普遍化（這樣就能除去這些假設(shè)），霍金開始學習新的數(shù)學技巧，這些技巧似乎與問題有關(guān)。對黎曼空間進行全局（拓撲學）研究的領(lǐng)域中，那些活躍的數(shù)學家運用的一部分方法就是被稱為“莫爾斯理論”的一種強大的數(shù)學研究成果。然而，愛因斯坦理論中使用的空間其實是偽黎曼空間，相關(guān)的莫爾斯理論就有所不同，差異雖然微小，但卻重要?；艚馂樽约喊l(fā)展出必要的理論，在某些方面獲得了查爾斯·米斯納（Charles Misner），羅伯特·杰勒西（Robert Geroch）和布蘭登·卡特（Brandon Carter）的幫助，得以用它來提出新的定理，該定理本質(zhì)上更為強大，我提出的定理的假設(shè)條件在霍金的新定理中可以被弱化不少，顯示出大爆炸類型的奇點是愛因斯坦廣義相對論在廣泛情況下的必要蘊涵。

幾年后（是在1970年由皇家學會出版的一篇論文中，當時霍金已經(jīng)成為劍橋大學岡維爾與凱斯學院的一位“科學上卓越杰出”的學院院士），他和我聯(lián)手合作，發(fā)布了一條更為強大的定理，幾乎把這個領(lǐng)域此前進行過的所有研究工作都包含進去。

1967年，沃納·伊斯雷爾（Werner Israel）發(fā)表了一篇引人關(guān)注的論文，暗示當黑洞最終安頓下來，變得靜止不動時，不旋轉(zhuǎn)的黑洞必然會變成完全球?qū)ΨQ。由卡特、戴維·羅賓遜（David Robinson）以及其他人得出的后續(xù)研究結(jié)果將它普遍化，把旋轉(zhuǎn)的黑洞也包括進來，暗示最終的時空幾何必須符合由羅伊·克爾（Roy Kerr）在1963年找到的愛因斯坦方程的精確解組。完整論證的關(guān)鍵要素是：假如有任何旋轉(zhuǎn)存在，那么必然有完全的軸對稱。這一要素基本上由霍金在1972年提供。

所有這些的結(jié)論十分引人注目，即我們期望在大自然中找到的黑洞得要遵守這種克爾度規(guī)。正如偉大的理論天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡隨后所評論的，黑洞是宇宙中最完美的宏觀物體，只用空間和時間構(gòu)建出來；不僅如此，黑洞也是最簡潔的，因為它們能用一種明確已知的度規(guī)（克爾度規(guī)）來精確描述。

霍金延續(xù)他在這個領(lǐng)域的工作，確定了多個關(guān)于黑洞的重要結(jié)果，譬如黑洞的事件視界（黑洞的束縛面）必須具備球體拓撲性質(zhì)的論證。他與卡特和詹姆斯·巴丁（James Bardeen）進行合作，在1973年發(fā)表的研究工作中，他建立了黑洞行為和熱力學基本定律之間的某種值得注意的類比，據(jù)它顯示，視界的表面區(qū)域和它的表面重力分別類似于熵和溫度的熱力學量。公允地說，在霍金這段極其活躍、為這份研究工作鋪路的時期里，他在經(jīng)典相對論領(lǐng)域的研究是那時候全世界最優(yōu)秀的。

霍金、巴丁和卡特將黑洞的“熱力學”行為僅僅理解為類比，沒有實際的物理學意旨。差不多在一年之前，雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）早已指出，在量子力學的背景下，物理一致性的要求暗示了黑洞必定有個實際的物理熵（“熵”是物理學家對“無序”的度量），黑洞熵與視界表面積成正比，然而貝肯斯坦沒能精確地確定比例因數(shù)。然而，從另一方面看，黑洞的物理溫度必定等于零，這與這種類比不一致，因為任何形式的能量都無法逃離黑洞，所以霍金和同事們沒有準備將這種類比完全當回事。

霍金那時已經(jīng)將研究的注意力轉(zhuǎn)移到黑洞相關(guān)的量子效應(yīng)上，并且開始計算，想確定在宇宙大爆炸中可能生成的極小的、旋轉(zhuǎn)的黑洞是否會輻射出旋轉(zhuǎn)能。他驚訝地發(fā)現(xiàn)，不管是哪一種旋轉(zhuǎn)，黑洞總是輻射出能量，而通過愛因斯坦的E=mc2公式來理解，這也就代表黑洞的質(zhì)量。因此，任何一個黑洞實際上有著非零的溫度，準確地符合巴丁-卡特-霍金類比。不僅如此，霍金還為熵比例常數(shù)提供了精確值“1/4”，那是貝肯斯坦所未能確定的量。

霍金預測的這種來自黑洞的輻射如今被十分貼切地稱為“霍金輻射”。然而，對于任何一個在正常天體物理過程中誕生的黑洞而言，霍金輻射是極其微小的，靠如今所知的任何技術(shù)是肯定無法直接觀測到的。但是，霍金主張，在宇宙大爆炸中，可能產(chǎn)生非常小型的黑洞，這些黑洞的霍金輻射會逐步演變成最終的爆炸，那或許能觀測到。似乎還沒有證據(jù)支持這類爆炸，表明宇宙大爆炸并不像霍金希望的那樣配合，這是他的一大挫折。

從理論角度來說，這些建樹肯定是重要的。它們建立起黑洞熱力學理論：通過結(jié)合量子（場）理論和廣義相對論的手段，霍金證實了有必要引進第三個主題——熱力學。它們通常被視為霍金最了不起的貢獻。不可否認，它們對于未來的基礎(chǔ)物理學理論有著深刻的涵示，但這些涵示的詳細性質(zhì)仍然是激烈爭論的話題。

霍金本人能夠從所有這些理論推斷出（盡管沒有獲得粒子物理學家們的普遍贊同），普通物質(zhì)的基本組成——質(zhì)子——必定最終會衰變，盡管它們的衰變率是當今的技術(shù)所無法觀測到的。他也給出了量子力學基本法則也許需要修正的理由，他似乎最初很贊同這個觀點。但后來（以我自己的意見來看，是令人遺憾的）他轉(zhuǎn)變至一種不同觀點，在2004年7月都柏林國際引力會議上，他公開宣布自己最初預測黑洞內(nèi)有“信息損耗”的想法改變了，承認自己輸?shù)袅伺c加州理工學院物理學家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）的一次打賭。

在對于黑洞的研究工作之后，霍金將他的注意力轉(zhuǎn)移到量子引力問題，發(fā)展出靈巧的想法，解開一些基本問題。量子引力被普遍視為物理學中最基本的未解基礎(chǔ)性問題，牽涉到將粒子物理學的量子手段正確施加到時空結(jié)構(gòu)上來。一個已經(jīng)聲明的目標是找到一項強大的物理學理論，足以對付黑洞和宇宙大爆炸中經(jīng)典廣義相對論的時空奇點。

到這個時候為止，霍金的工作雖然牽涉到愛因斯坦廣義相對論的彎曲時空背景中的量子力學手段，但仍然沒有提出量子引力理論。那會要求將“量子化”手段應(yīng)用到愛因斯坦彎曲時空上，而不僅僅應(yīng)用到彎曲時空內(nèi)的物理場。

霍金和詹姆斯·哈特爾（James Hartle）發(fā)展出一套量子手段用于處理宇宙大爆炸的奇點。它被稱為“無邊界”想法，奇點通過它就替換成一個光滑的“帽子”，這又被比作地球北極發(fā)生的情形，即經(jīng)度的概念在北極失去了意義（變得奇異），而北極本身有著完美的幾何性質(zhì)。

為了讓這套想法變得合理，霍金需要借助他的“虛時間”（或者“歐幾里得過程”），它的效果是將愛因斯坦時空的“偽黎曼”幾何轉(zhuǎn)換成更加標準的黎曼幾何。盡管這些想法中許多都極具創(chuàng)新，但仍然存在棘手的困難（一個困難是類似的手段可以怎樣應(yīng)用到黑洞內(nèi)部的奇點上，黑洞內(nèi)的奇點有著許多基礎(chǔ)性的未知難題）。

在全球范圍，還有許多其他探究量子引力的方式，霍金的手段盡管受到極高的尊重，也仍然獲得研究，但不是最熱門的研究途徑，盡管所有其他研究方式都有著各自的基礎(chǔ)性難點。

在人生的后半段，霍金繼續(xù)研究量子引力問題以及相關(guān)的宇宙學研究課題。但在保持嚴肅的研究興趣的同時，他越來越關(guān)心科學的普及，尤其是他自身科學思想的傳播。這段傳播歷程從他創(chuàng)作大獲成功的著作《時間簡史》（1988年）開始，這本書被翻譯成大約40種語言，在全球售出了超過2 500萬本。

毋庸置疑，“時間簡史”這個聰明的書名是這本書獲得現(xiàn)象級成功的一個因素。另外，這本書的題材能抓獲大眾的想象。還有直截了當、清楚明晰的文風，一定是霍金努力應(yīng)付他的身體障礙所造成的限制的時候，在迫切需要下發(fā)展出這樣的文風。在他需要依賴電子發(fā)聲手段之前，他只能極其困難、相當費力地說話，所以他不得不盡其所能多使用短促的句子，用直奔主題的表達。難以否認的是，他的身體狀況本身一定也捕獲了公眾的興趣。

雖然在更廣泛的公眾中傳播科學一定是霍金寫作這本書的一項目標，他也有著賺錢的嚴肅意圖。他的財務(wù)需要不容小覷，因為他的家人、護士、醫(yī)護幫手和越來越昂貴的醫(yī)療儀器都需要花錢。補助金能支付一部分費用，但不夠償付所有費用。

邀請霍金參加一場會議的話，總是會讓組織方進行一次認真的開支計算。霍金的出行和膳宿花費是一大筆支出，尤其是需要好幾個人陪同霍金一同前來。但霍金的一場熱門演講總是座無虛席，需要進行特殊的安排，尋找一個足夠大的演講廳堂。還有一個因素是確保所有出入口、樓梯、電梯等設(shè)施都適合殘障人士使用，尤其是要適合霍金的輪椅。

霍金顯然享受于自己的鼎鼎大名，接受了許多出游、體驗不同尋常經(jīng)歷（譬如下礦井、訪問南極、經(jīng)歷零重力下的自由落體）以及與其他杰出人士會面的機會。

隨著一年年過去，霍金的公眾演講呈現(xiàn)得愈加完善。最初，演講中的視覺材料會是在透明幻燈片上畫出的線條畫，由一位學生來繪制。但在后來，令人印象深刻、由計算機生成的圖像得到使用?；艚鹬鹁淇刂蒲哉Z材料，這些材料會由計算機生成的美國口音來傳達。在他后期的熱門著作《插圖版時間簡史》（1996）和《果殼中的宇宙》（2001）中，高質(zhì)量的圖片和計算機生成的圖像也成為要點。他和女兒露西一起創(chuàng)作了講解式的兒童科幻故事《喬治通往宇宙的秘密鑰匙》（2007），他也為許多其他科普作品擔任了編輯、共同作者和評注者。

他收獲了許多贊賞和榮譽。尤其是他在不尋常的32歲時被選為皇家學會會員，并在2006年榮獲皇家學會的最高榮譽“科普利獎?wù)隆薄?979年，他成為劍橋大學的第17任盧卡斯自然哲學教席擁有者，距離艾薩克·牛頓成為該教席的第二任擁有者差不多相隔310年。1989年，他成為名譽勛位成員。他客串出演了電視劇《星艦迷航：下一代》，以動畫形象出現(xiàn)在《辛普森一家》中，他的人生故事還在電影《萬物理論》（2014）中得到描繪。

霍金顯然對他的第一任妻子簡·懷爾德（Jane Wilde）虧欠良多。兩人在1965年結(jié)婚，共生育了3個子女羅伯特、露西和蒂莫西。簡在許多方面對霍金格外支持。其中最重要的一個方面大概是允許霍金靠自己將事情做到異乎尋常的程度。

霍金是個不同尋常的意志堅決的人。他會堅持靠自己做事。這大概反過來保持他的肌肉的活躍運動，以這種方式延緩了肌肉萎縮，從而拖延了疾病的進程。盡管如此，霍金的病情還是繼續(xù)惡化，直至他幾乎不再有身體運動，他的言語也幾乎不再有人聽得懂，除了極少數(shù)幾位熟識他的人。

1985年他在瑞士時感染了肺炎，為了挽救他的生命，必須實施氣管切開術(shù)。怪異的是，在這次與死神擦肩而過之后，他的退行性疾病的進程似乎減緩至實質(zhì)上的停頓。然而，他接受的氣管切開術(shù)使得他無法發(fā)出任何形式的言語，于是那時候他必須獲得一臺計算機化的語音合成器。

在他罹患肺炎之后，霍金一家的房子幾乎被護士和醫(yī)療護理人員接管，他和簡也逐漸分開。他們在1995年離婚。同一年，霍金娶了伊蓮·梅森（Elaine Mason），她是照料霍金的護士中的一位。她對霍金的支持形式與簡不同。在霍金身體越來越虛弱的狀態(tài)下，伊蓮提供的愛意、照料和護理維持了霍金的所有活動。然而，這段婚姻關(guān)系也步入終結(jié)，霍金和伊蓮在2007年離婚。

盡管霍金的身體狀況很糟糕，可他幾乎總是對生活保持了積極樂觀。他享受自己的研究工作，享受其他科學家的陪伴，享受藝術(shù)，享受自己的鼎鼎大名帶來的好處，享受旅行。他從孩子身上獲得極大的快樂，有時坐在電動輪椅里不停轉(zhuǎn)圈，以此給孩子們帶來歡樂。霍金關(guān)切社會議題。他推動大眾對科學的理解。他可以是慷慨大方的，也常常機智詼諧。有時候，他可能展現(xiàn)出傲慢自大的一面，這在前沿領(lǐng)域工作的物理學家之中并非罕見現(xiàn)象，他性格中也有著獨斷專行的一面。然而，他也能展現(xiàn)出真正的謙遜，高尚的特征。

霍金有許多學生，有些學生后來自己也成了名。然而，當霍金的學生不容易?；艚鹪?jīng)將輪椅碾過一名學生的腳，只因為那名學生惹得霍金火冒三丈。霍金的看法有著極高的權(quán)威性，但他的身體障礙經(jīng)常導致這些看法十分簡潔，神秘得難以捉摸。一位有能力的同行也許能解開背后的意圖，但對于一名經(jīng)驗不足的學生來說，這會是件困難的事。

對于這樣的一名學生而言，與霍金的見面可能是一次令人膽怯的經(jīng)歷?；艚鹨苍S會讓學生追逐某條讓人費解的研究路徑，背后的原因可能看起來神秘至極。讓霍金來解釋是不可能的，而學生會面對一些看起來確實像神諭啟示的闡述——它的真實性不會受到懷疑，但如果獲得正確的詮釋和發(fā)展的話，它肯定會導向一種深奧的真理。或許，我們現(xiàn)在都被留下了這種印象。

霍金留有三個子女。

斯蒂芬·威廉·霍金，物理學家，1942年1月8日出生，2018年3月14日過世，享年76歲。