果殼中的宇宙之王

張雨晨

導(dǎo)言：

霍金先生仙逝已經(jīng)一月有余，他那飽受疾病折磨的身軀，已然安眠于倫敦威斯敏斯特大教堂，與牛頓、達(dá)爾文等科學(xué)巨擘共享無上榮光；而他的精神，則作為無價(jià)的遺產(chǎn)，留給塵世眾生?？v觀霍金傳奇的一生，不論是科學(xué)理論的發(fā)現(xiàn)、科學(xué)的普及傳播還是科學(xué)精神的引導(dǎo)，霍金先生都無愧為一代科學(xué)偉人。

在這喧嘩散去、塵埃落定的時(shí)刻，讓我們沉下心來，靜靜品味霍金留下的吉光片羽，以“繼承”——這一最符合他生前期望的方式，祭奠那從未離我們遠(yuǎn)去的傳奇。

一、符號中的黑洞

不論一生何等傳奇，斯蒂芬·威廉·霍金首先是一名科學(xué)家。

作為一名物理學(xué)家，霍金先生在科學(xué)上的主要貢獻(xiàn)，就是對“黑洞”這一宇宙中最為神秘的天體進(jìn)行的理論研究。

提起黑洞，很多人的腦海中都會浮現(xiàn)出一個(gè)孤懸星海的黑色旋渦，一刻不停地瘋狂吞噬著任何靠近它的存在。早在18世紀(jì)，數(shù)學(xué)家拉普拉斯就通過牛頓構(gòu)建的物理體系，大膽預(yù)言了用強(qiáng)大引力束縛光線的黑色天體。但因?yàn)槔碚摶A(chǔ)的滯后，直到第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后的1915年，德國科學(xué)家卡爾·史瓦西才基于愛因斯坦的廣義相對論，從數(shù)學(xué)理論上預(yù)言并描述了黑洞的存在。但不幸的是，作為黑洞研究先驅(qū)的史瓦西，卻未能看到他的理論開花結(jié)果——?dú)埧岬膽?zhàn)爭在他誕生偉大思想之后不久便奪去了這位偉大科學(xué)家正值盛年的生命。當(dāng)然，黑洞這種即便是現(xiàn)在都很難直接觀測的天體，在史瓦西之后的很長一段時(shí)間內(nèi)，仍然只是一種理論層面的猜想；甚至連史瓦西本人，都對黑洞是否真實(shí)存在表示了基于科學(xué)精神的謹(jǐn)慎懷疑。

不過，當(dāng)歷史進(jìn)入到20世紀(jì)后半葉，隨著物理學(xué)的飛躍發(fā)展，以及觀測與計(jì)算技術(shù)的長足進(jìn)步，原本無比神秘的黑洞，經(jīng)過霍金等大批人類英才的深入研究，逐漸揭開了面紗的一角。

我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，宇宙中的黑洞，主要來自于超大質(zhì)量恒星臨終時(shí)毀滅性爆發(fā)后塌縮的核心。拜其巨大的質(zhì)量所賜，黑洞有著極為強(qiáng)大的引力，可以扭曲附近的時(shí)空，甚至作為速度極限的光，如果離黑洞太近，也難逃被吞噬的厄運(yùn)。這條逃逸速度等于光速的臨界線，就是黑洞的表面——視界。

這個(gè)視界半徑以黑洞研究先驅(qū)史瓦西的名字命名。不過，這個(gè)數(shù)值并不僅僅針對黑洞，任何有質(zhì)量的物體，都可以算出自己的史瓦西半徑。比如說我們生活的地球，雖然有著相對于人類日常生活來說全無可比性的59萬億億噸質(zhì)量，但它的史瓦西半徑卻只有區(qū)區(qū)9毫米。也就是說，即便強(qiáng)行將地球整個(gè)壓縮成黑洞，它的視界半徑也就相當(dāng)于一個(gè)粉筆頭。

在視界之外，黑洞的物理特性和一般的大質(zhì)量天體并無根本性差異。如果一位遨游星海的未來航天員不幸掉入黑洞，那么早在他越過神秘的視界之前，黑洞引力形成的潮汐力就足以將他撕得粉身碎骨。反之，對于一些巨大的黑洞，如果將史瓦西半徑圍住的空間算作體積，那么它們的“密度”甚至并不比常規(guī)物質(zhì)高出多少。

而在視界的內(nèi)部，卻有著連光都無法逃逸的強(qiáng)大引力，其中的信息全無被外界直接觀測的可能，可謂是一個(gè)探測手段無法觸及、人類常識難以理解的神秘世界。黑洞的本體——理論上密度無限大、體積無限小的奇點(diǎn)，就位居正中。

正因?yàn)楹诙吹谋倔w深藏于“只進(jìn)不出”的視界帷幕之后，所以對黑洞的研究就成了一座難以攀登的科學(xué)險(xiǎn)峰。

霍金在他科研生涯的早期，基于傳統(tǒng)的相對論與天體物理學(xué)框架，對黑洞的性質(zhì)進(jìn)行了理論上的探索，推導(dǎo)出了一些有關(guān)黑洞的規(guī)律。比如說，霍金等人從數(shù)學(xué)上證明，在從恒星殘骸塌縮為奇點(diǎn)的過程中，黑洞丟失了絕大部分的信息。換而言之，一個(gè)成型的黑洞，將只會保留質(zhì)量（引力和視界半徑）、電荷以及角動(dòng)量這三個(gè)基本特征，至于其他的“前世因緣”，則全部被強(qiáng)大的引力一筆勾銷。這樣一來，黑洞就成了宇宙中外部特征最簡潔的天體，描述起來反而變得非常簡單。

正是憑借這條“無毛定理”，我們可以根據(jù)黑洞三大特征的具體情況，將它們分成四大類。其中，不旋轉(zhuǎn)、不帶電的黑洞被稱為“史瓦西黑洞”，旋轉(zhuǎn)但不帶電的被稱為“克爾黑洞”，不旋轉(zhuǎn)卻帶電的稱為“R-N黑洞”，既旋轉(zhuǎn)又帶電的被稱為“克爾-紐曼黑洞”。更為奇特的是，當(dāng)黑洞旋轉(zhuǎn)起來之后，視界將分離成內(nèi)外兩層，而奇點(diǎn)則會變成環(huán)形。原本“不可名狀”的黑洞，在數(shù)學(xué)工具的解構(gòu)下，逐步顯露出了自己的真面目。

然而霍金并不滿足于自己早年的成就。為了更深刻地理解這種神秘的黑色天體，他將原本用于研究極微觀世界的量子力學(xué)與探索極宏觀宇宙的天體物理學(xué)進(jìn)行了交叉融合，利用量子力學(xué)的全新理論，探索黑洞的奧秘。

經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，霍金驚訝地發(fā)現(xiàn)，如果將量子力學(xué)中對真空能量漲落的描述引入黑洞的數(shù)學(xué)模型，那么原本“一毛不拔”的黑洞將有可能開始丟失能量。

簡而言之，在量子力學(xué)的觀念中，真空雖然看似平靜，卻無時(shí)無刻不充斥著正負(fù)虛粒子對的誕生與湮滅，這樣持續(xù)漲落的動(dòng)態(tài)平衡，才是真空的本來面目。如果將量子力學(xué)對真空的描述代入黑洞的體系，就有可能出現(xiàn)這樣的情況：在黑洞視界的邊緣出現(xiàn)一對正負(fù)粒子，如果它們馬上彼此湮滅或者雙雙被黑洞吞噬，那倒也好說；但貪婪的黑洞也有可能在它們還來不及湮滅時(shí)，就“吃掉”了攜帶負(fù)能的虛粒子，卻意外地放過了攜帶正能的虛粒子，并讓其在黑洞之外成了實(shí)粒子。如此一來，黑洞就損失了一份實(shí)粒子的質(zhì)量，也可以等價(jià)于黑洞向外發(fā)射了一個(gè)粒子。此外，負(fù)能虛粒子本身無法獨(dú)立存在于黑洞之外的環(huán)境，所以并不會出現(xiàn)黑洞吞掉正能虛粒子卻放過負(fù)能虛粒子的情況。

正是因?yàn)楹诙从锌赡茉诹孔恿W(xué)框架下出現(xiàn)這樣的“挑食”行為，所以霍金通過數(shù)學(xué)手段證明，黑洞并不是真正的“漆黑一片”，而是會因?yàn)楦浇臻g的量子漲落而出現(xiàn)向外“蒸發(fā)”物質(zhì)、放出射線的情況。這種看似玄乎的現(xiàn)象，就是大名鼎鼎的“霍金輻射”，也是霍金最重要的科學(xué)成就！

經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算，霍金等人發(fā)現(xiàn)，“霍金輻射”的速度與黑洞的質(zhì)量成反比，越大的黑洞，“蒸發(fā)”越慢。這多少有點(diǎn)兒類似我們平時(shí)接觸的熱學(xué)現(xiàn)象——體積越大的東西，相對表面積越小，所以涼得越慢。而當(dāng)黑洞質(zhì)量變得較小之后，這種“蒸發(fā)”將會越來越快，最后甚至成為“爆炸”，在極短時(shí)間內(nèi)將黑洞剩余的質(zhì)量全部拋出，徹底終結(jié)這個(gè)黑洞的存在。

按照霍金的推斷，科幻作品中屢屢出現(xiàn)的“人造微型黑洞毀滅世界”橋段，實(shí)際并不會那么可怕——這些誕生于超級對撞機(jī)中的超小號黑洞在形成之后根本來不及“吃飽”就會迅速“人間蒸發(fā)”，落得個(gè)瞬間灰飛煙滅的下場，并不會對宏觀的人類世界造成任何可見的影響。

但是，霍金雖然從數(shù)學(xué)上對黑洞的輻射現(xiàn)象給出了嚴(yán)謹(jǐn)可靠的推斷，其理論也得到了物理學(xué)界的廣泛接受，可對于自星骸中誕生的龐大黑洞來說，“霍金輻射”即便真的存在，也將十分微弱。直到目前，人類窮盡所有的觀測手段，依然沒能在宇宙中直接觀察到可靠的霍金輻射。另有一些人，則轉(zhuǎn)而去尋找宇宙早期黑洞最后急速“蒸發(fā)”時(shí)產(chǎn)生的耀眼余暉，然而他們同樣也還沒有獲得足以令科學(xué)界信服的過硬證據(jù)。

正因?yàn)檫@一非凡思想終究只是停留在紙面上的理論，所以霍金縱然對人類物理學(xué)發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)，但也無法獲得頒獎(jiǎng)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)謹(jǐn)保守、更傾向于“蓋棺定論”的諾貝爾獎(jiǎng)。但沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，既不能成為評價(jià)霍金科學(xué)貢獻(xiàn)大小的標(biāo)準(zhǔn)，也非諾獎(jiǎng)評委有眼無珠?？梢哉f，霍金等一批科學(xué)英才“取得巨大理論成就卻沒得諾貝爾獎(jiǎng)”的現(xiàn)象本身，反而是現(xiàn)代科學(xué)“大膽設(shè)想、小心求證”精神的最好寫照。

二、輪椅中的巨人

絕大多數(shù)人對霍金先生的第一印象——也是最深刻的印象——都是他癱坐于高科技輪椅中的形象。

霍金所患有的這種疾病，被科學(xué)家們稱為“肌萎縮側(cè)索硬化”。而民間則給這種名字不好念的疾病起了一個(gè)生動(dòng)的俗名，叫“漸凍癥”。意思就是說，患有這種疾病的人，身體的運(yùn)動(dòng)能力越來越差，就像逐漸被凍住了，最終都難以避免像霍金那樣完全無法運(yùn)動(dòng)的結(jié)局。

那么，這種折磨著霍金等人的怪病是什么原因?qū)е碌哪兀窟@得從我們正常情況下如何運(yùn)動(dòng)說起。在健康的時(shí)候，我們之所以能夠自如運(yùn)動(dòng)，都是靠著遍布我們?nèi)砀魈幍募∪狻１热缯f，四肢的肌肉，通過有規(guī)律的收縮舒張，準(zhǔn)確地拉動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)，就可以讓我們邁開雙腿走路、抬起雙手操作各種工具；眼球周圍的肌肉，則能幫助我們眨眼睛、轉(zhuǎn)眼球；咽喉與口腔的肌肉，能讓我們吞咽食物、妙語連珠；肋骨間的肌肉，則可以通過活動(dòng)胸腔，使我們自如地呼吸空氣。這些肌肉，就是人體這部大機(jī)器上的一臺臺發(fā)動(dòng)機(jī)，彼此精密配合，讓我們能夠自由地運(yùn)動(dòng)、健康地生活。

但是想要讓身體運(yùn)動(dòng)，不光需要肌肉，還要有控制肌肉運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)。一輛賽車即便馬力再強(qiáng)勁，如果沒駕駛員踩油門，也只能趴在起跑線上。同樣，人體的肌肉也需要神經(jīng)系統(tǒng)來指揮它進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在我們的大腦和脊髓里，就有這樣一群專門負(fù)責(zé)控制肌肉運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元。這些運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，有的是“指揮官”，待在大腦皮層里，向下伸出一根長長的軸突，作為往下傳達(dá)運(yùn)動(dòng)指令的“電話線”。還有一些神經(jīng)元位于小腦，作為“秘書”，負(fù)責(zé)將大腦皮層籠統(tǒng)下達(dá)的命令加工成細(xì)致協(xié)調(diào)的作戰(zhàn)計(jì)劃。另有一些位于脊髓的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，相當(dāng)于“書記官”，負(fù)責(zé)抄送分發(fā)文件。而最下游的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，就是最后的“傳令兵”，它們的軸突末端連接在肌肉上，就像一只懸在開關(guān)上的手指，隨時(shí)準(zhǔn)備按下開關(guān)，指揮肌肉運(yùn)動(dòng)。

那么，霍金為什么癱在輪椅上起不來呢？是控制運(yùn)動(dòng)的肌肉出了問題？還是控制肌肉的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元出了問題？經(jīng)過長期的臨床和病理學(xué)研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在“漸凍癥”患者的身體里，最先出問題“犧牲”的是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。隨后，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元所控制的肌肉因?yàn)闊o人指揮，也很快就跟著萎縮掉了。

也就是說，正是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)神經(jīng)元首先死亡，并使得肌肉跟著萎縮，才讓霍金等“漸凍癥”患者的運(yùn)動(dòng)能力逐步下降，最終徹底喪失的。

至于為何“漸凍癥”患者體內(nèi)會出現(xiàn)針對運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的特異性病變，目前依然沒有定論。一種較為廣泛接受的假說認(rèn)為，在這些患者體內(nèi)，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元由于某些尚不明確的原因，會額外積累代謝產(chǎn)生的毒素，最終因無法及時(shí)清理而死亡。而且運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和人體內(nèi)絕大部分神經(jīng)元一樣，作為其本體的“胞體”在成年以后幾乎完全無法再生補(bǔ)充，可以說是“壞一個(gè)少一個(gè)”的“限量品”。因此，一旦這個(gè)毒害過程開始，其癥狀就幾乎無法逆轉(zhuǎn)，即便有辦法及時(shí)清理毒素，也只能保住殘存的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，而難以重建完整的運(yùn)動(dòng)能力。

事實(shí)上，大部分“漸凍癥”患者都不如霍金這么幸運(yùn)，由于不能得到如此先進(jìn)的照顧和治療，他們生活的痛苦可想而知。但另一方面，霍金的病情與尋常的“漸凍癥”也有很多不同之處。他能夠“帶病延年”五十五載，絕對可謂奇跡。不過這種情況在臨床醫(yī)學(xué)上卻并非無法解釋。因?yàn)槿祟惖膫€(gè)體差異，同樣的疾病對于不同患者來說可能有著大相徑庭的表征和預(yù)后。而像“漸凍癥”這樣我們了解深度可能還不及黑洞的復(fù)雜疾病，經(jīng)過基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的深入研究后，甚至可能會發(fā)現(xiàn)其實(shí)是幾種癥狀相似但致病機(jī)制不同的疾病，那么患者的命運(yùn)，自然也會有所不同。

但不管如何，我們可以肯定的是，霍金先生在二十出頭的大好年華就不幸遭遇了嚴(yán)重的神經(jīng)損傷，但他卻以常人難以想象的巨大毅力，以及更加超人的幽默感坦然面對了自己的命運(yùn)，并走完了自己堪稱奇跡的精彩一生。也許，正是他在腦中仰望的浩渺蒼穹，給予了霍金超然面對人生的豁達(dá)與樂觀，讓他拖著如此的殘軀，登上了遠(yuǎn)高于絕大多數(shù)人的精神頂峰。

三、腦海中的星空

對于大部分人來說，霍金更多是一名科普作家。

《時(shí)間簡史》固然是有史以來最為暢銷的科普讀物之一，但買下它的人雖多，打開它的人卻少。更多的人，只是將它以及霍金先生本人，作為一個(gè)象征科學(xué)的符號，不假思索地加以收藏，裝點(diǎn)自己的門庭。

然而霍金先生本人對于自己的盛名卻泰然處之，并不介意眾人對他的形象進(jìn)行消費(fèi)。相反，他以驚人的幽默感，積極參與到各類社會活動(dòng)中，甚至曾在《星際迷航》與《生活大爆炸》等影視劇中粉墨登場、本色出演。至于借用霍金形象的藝術(shù)作品，更是數(shù)不勝數(shù)。歐美的自不必說，在大劉的《朝聞道》《中國太陽》等作品中，霍金也扮演了畫龍點(diǎn)睛的重要作用；甚至在更加商業(yè)化的日本動(dòng)畫《機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)》里，霍金也曾被制作者畫進(jìn)熒幕，成了科學(xué)精神的象征。當(dāng)霍金先生離世后，科幻游戲《星戰(zhàn)前夜》中的玩家們自發(fā)地點(diǎn)亮了傳送信標(biāo)，讓游戲中堪比黑暗森林的宇宙，為科學(xué)巨人而閃耀。

對于自己積累的巨大人望，霍金先生也未曾揮霍。在各種公開活動(dòng)中，他反復(fù)地提醒臺下的聽眾，人類雖然取得了如此之多的科學(xué)成就，但也面對著諸如能源危機(jī)、環(huán)境污染、核武器擴(kuò)散甚至人工智能等來自科學(xué)的挑戰(zhàn)。不過，不同于很多提倡“回歸”所謂“田園生活”的批評家，霍金先生對于這一切問題給出的解決方案依然充滿了科學(xué)精神，那就是——走出去，擺脫重力對思想的束縛，勇敢地踏入頭頂?shù)娜盒?！正如科幻先?qū)威爾斯在百年之前所言，人類文明的命運(yùn)，“要么遍布宇宙，要么徹底滅亡”。

對于霍金，繼承他的探索精神，就是最好的祭奠。

【責(zé)任編輯：劉維佳】