黑洞研究者霍金

費德里克·勒維諾 克洛伊·杜朗·帕羅迪

英國天才天體物理學家史蒂芬·霍金是公認的引力奇點之父。讓我們回顧他傳奇的一生。

史蒂芬·霍金因其幽默感和自嘲而聞名于世。他紀念巴茲·奧爾德林——第二位在月球上行走的人時，可能會對其報之一笑，說道：“我們失去了歷史上最偉大的頭腦之一，他幫助我們探尋宇宙最深處的奧秘?！闭\然，他是天才。但是請不要將他與牛頓或愛因斯坦類比?！氨M管如此，他依然是一位偉大的科學家，并為愛因斯坦和其他人所創(chuàng)造的理論作出了重要而持久的貢獻?！迸c其共事許久的法國物理學家蒂博，達穆爾說道。宇宙理論家、天才科普者、社會事業(yè)的挑戰(zhàn)者與捍衛(wèi)者、傳媒巨星史蒂芬·霍金隨著其身體的逐漸衰弱而冉冉升空。他從沒有被世事愚弄過。

霍金1942年1月8日出生于牛津，是熱帶病專家弗蘭克·霍金的長子。其母伊莎貝爾·霍金曾在牛津大學學習哲學、政治學和經(jīng)濟學，在那個時期，只有極少數(shù)女性能夠進入牛津大學學習。霍金出生時是一個外表正常的可愛嬰兒。后來，他進入一所應用前衛(wèi)教學法，鼓勵學生自主學習的學校，成為了一名普通學生。直到8歲時，霍金才能夠正確閱讀。在學生生涯中，霍金從未展現(xiàn)出天才跡象，盡管他的同學們已經(jīng)對他的數(shù)學天賦印象頗深。直到1959年，霍金進入牛津大學，其才智方得到充分發(fā)展。

在數(shù)學領域進行了一些嘗試后，霍金轉向了物理學領域。大學期間，他并沒有付出太多努力，反而將大部分時間用來培養(yǎng)自己與同學之間的關系，他參加了牛津學院劃艇會俱樂部，并成為了一支劃艇隊的舵手。1962年畢業(yè)后，霍金來到劍橋大學繼續(xù)攻讀宇宙學博士研究生。他想要回答困擾他已久的問題：“為什么會有一個宇宙，為什么我們存在？”在此期間，霍金與修讀西班牙中世紀詩歌的學生潔恩·懷爾德墜入愛河。一年后，因為越發(fā)頻繁的摔倒與行動不便，霍金被診斷為患有不可治愈的神經(jīng)退行性病變，即漸凍人癥。在其21歲時，醫(yī)生預期他只剩下兩年壽命。直到他55年后逝世，這把達摩克利斯之劍始終高懸于他的頭顱之上。未婚妻潔恩·懷爾德始終沒有放棄他，這將他從這項裁決所導致的抑郁中拯救出來。她試圖激起他的斗志，并鼓勵他繼續(xù)自己的工作?；艚饏拹菏?，因此重振旗鼓。

1965年，霍金與潔恩結婚，二人生下了3個孩子：羅伯特、露西和蒂姆。同年，在英國物理學家丹尼斯·夏瑪?shù)闹笇?，霍金開始撰寫他的博士論文，試圖探索宇宙膨脹的關聯(lián)與結果。在這一時期，大多數(shù)物理學家都樂于關注微觀粒子的量子世界，而他卻更喜歡探索由萬有引力理論所調控的無限大的宏觀世界，即愛因斯坦的廣義相對論?！八踔脸蔀榱诉@一領域最偉大的理論家之一。”他的前學生、朋友，物理學家克里斯托弗·加爾法德說道。

是時，無限靜止宇宙學說盛行，宇宙在空間與時間上永恒不變。這一全然排除了大爆炸的學說并不足以解釋宇宙中的所有現(xiàn)象?；艚鹋c數(shù)學家羅杰，彭羅斯一起建立了彭羅斯一霍金定理，證實了在宇宙廣義相對論被運用前，宇宙存在著一個量子開端，即物理學家所謂的“奇點”?；艚鸷团砹_斯因此成為了搭建微觀世界與宏觀世界橋梁的先驅者。

兩位理論家在研究工作中發(fā)現(xiàn)了宇宙中許多其他的量子奇點：即18世紀提出的著名的黑洞理論，愛因斯坦曾證明其存在。黑洞是在恒星燃燒殆盡其自身的所有碳氫燃料（氫氣和氦氣）后坍縮的死星。這種坍縮會產(chǎn)生巨大的引力，以至于所有的物質和光線在穿越其范圍時都無法逃逸。最大的黑洞質量可達太陽系的數(shù)十億倍。根據(jù)霍金和彭羅斯的觀點，我們應該將量子物理學運用于對黑洞的解釋中，擺脫愛因斯坦的經(jīng)典物理學。因此，他們提出了奇點理論。第一個黑洞是在1971年被發(fā)現(xiàn)的。但黑洞是如何抓住物質，以至于沒有任何物質和光線能夠從中逃逸的呢？我們必須運用一個間接的方式來解釋它。當一個天體即將被黑洞吞噬時，其被加熱材料會發(fā)出相當可觀的可偵測X射線。至于黑洞，它是否真的讓任何事物都無法逃逸？

這一次，霍金又通過數(shù)學方法證明了量子起源的熱輻射從黑洞中逃逸，展現(xiàn)了他的天賦?？死锼雇懈ァぜ訝柗ǖ陆忉尩溃骸盎艚鸺僭O了一個量子粒子正在穿越黑洞。經(jīng)過大量計算，他得到了一個令人驚訝的結果：這顆量子粒子的其中一部分成功逃逸了！”充滿懷疑精神的霍金多次重復計算，并始終得到同一結果。這讓他不得不提出這樣的觀點：黑洞不是全然“黑”的，而是“灰”的。自1974年其結論發(fā)表以來，這一歷史性的發(fā)現(xiàn)在物理學界引發(fā)了一場真正的“大爆炸”。但經(jīng)其他一些物理學家通過不同方法取得相同的結果后，質疑他的人不得不承認他是對的。黑洞確實存在著蒸發(fā)現(xiàn)象，這可能導致它們在數(shù)十億年后消失。

為什么這一發(fā)現(xiàn)沒有為霍金帶來一個諾貝爾物理學獎呢？很簡單，因為這一輻射尚未被觀測到。單憑理論工作無法獲得諾貝爾獎，它需要被實驗證實。天體物理學家斯諾瑪·桑切斯認為，這還需要很長時間：“因為黑洞產(chǎn)生的熱輻射遠遠低于宇宙背景的熱輻射?！被艚鹪谒囊簧校瑥奈捶艞壪Ｍ?，因為他的研究預設了無數(shù)微型黑洞的存在。黑洞越小，輻射越強烈。然而，直至他逝世，也沒有科學家觀測到這一現(xiàn)象。

輻射存在的益處在于，理論上存在著提取有關黑洞內部特性信息的可能性。這有點像通過分析火災的煙霧與灰燼，重現(xiàn)燒毀木材的性質。這是20世紀70年代人們最初所相信的研究方法。但霍金通過宣布他的計算，表明在輻射中沒有任何信息，立刻毀滅了這一希望。我們需要清楚知道：吸收一頭牛和吸收同樣質量的鉆石會產(chǎn)生完全相同的輻射。宣告信息缺失在學界引發(fā)了一場新的“地震”，因為它引起了對宇宙概念的質疑。這與拉瓦錫原則相悖，拉瓦錫原則指出：“沒有東西失去，沒有東西產(chǎn)生，一切都在互相轉化?！比绾谓忉屵@一悖論呢？為激勵同行，霍金曾開玩笑地打賭說，沒有人能證明他是錯的。此后幾年，一些理論家提出了巧妙的解決方案，展示了被吞噬物體的殘留情況，但缺乏真正的說服力。直到1997年，他自己的量子研究工作和一名阿根廷物理學家的研究工作使他認識到，輻射后信息可以繼續(xù)存在，他因而輸?shù)袅俗约旱馁€注。2012年，希格斯玻色子（一種質量載體的基本粒子）的發(fā)現(xiàn)使得他輸?shù)袅肆硪毁€注，他曾說過，這一粒子只會在大型強子對撞機中被偵測到。

即便黑洞具有致命的吸引力，霍金也從未停止過對宇宙起源的追求。1983年，霍金與其圣巴巴拉大學的好友詹姆斯·哈特勒一起，為宇宙的創(chuàng)造提供了數(shù)學解釋，在其理論中，上帝沒有任何位置。他們的研究并不深入細節(jié)，他們認為，宇宙會從一個模糊的量子幾何圖形開始出現(xiàn)，它類似于一個沒有邊界的球形表面。這一模型最為卓越的一點是，它從數(shù)學角度解釋了時間的出現(xiàn)。

在霍金的整個研究生涯中，疾病持續(xù)地阻礙著他的工作。30歲時，霍金被“釘”在了輪椅上，言談開始產(chǎn)生問題，只有那些親近他的人能理解他的言語。1985年，他感染了嚴重的肺炎，醫(yī)療團隊建議其妻子潔恩終止維生系統(tǒng)的運行。她拒絕了。但輔助他呼吸的氣管切開術使他從此再也無法發(fā)聲，這讓他不得不使用聲音合成器進行交流。但沒有什么能夠阻止霍金繼續(xù)他的研究。1988年，他出版了自己的第一部科普作品《時間簡史》，作品銷售超過1000萬冊。這本書為他帶來了世界范圍內的聲譽，特別是因為出版商把其照片印在書的封面上。一個神話因此誕生：一名純粹的學者通過其智慧解答宇宙奧秘的神話。事實上，霍金是被那些努力深化他豐富的直覺的優(yōu)秀學生們所包圍的。加爾法德記得，霍金老師要求嚴格，卻充滿幽默感，允許他們“看一看研究能夠帶來什么樂趣”。他確信科學屬于每一個人，并且需要傳播。在這一點上，他做得如此出色，以至于后來他變成了“搖滾明星”，所到之處皆受到其崇拜者的歡迎，被好萊塢明星贊美，受白宮邀請，在《星際迷航》中扮演他本人，在搖滾樂隊平克·佛洛伊德的作品中發(fā)聲，并在《辛普森一家》系列動畫片中擁有自己的角色。

他自比為一個偵查員，分享他對外星人存在的信念，同時警告大家不要與之接觸，他在英國的衛(wèi)生系統(tǒng)受到威脅時聲援它，他“鼓勵”人們離開太陽系，以更好地警告我們環(huán)境正遭到破壞，他捍衛(wèi)巴勒斯坦人，告誡人工智能和技術武器發(fā)展所帶來的危險，他有多重立場，其話語被視為權威之言。與此同時，他還盡可能地過著自己的生活：去北極旅行或是體驗失重飛行。天才還是偶像？他是人類面對障礙時能夠完成一切的榜樣。即便他被剝奪了一切，即便死亡已經(jīng)來到他的腳邊，他仍然過著自己想要的生活。在這一點上，他是我們的典范。

[譯自法國《觀點》]