文 / 喬輝

▲霍金漫畫像

2018年3月14日，自愛因斯坦以來(lái)最有名氣的物理學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金在劍橋大學(xué)的家中安詳去世，享年76歲。

霍金1942年1月8日出生于牛津，父親是畢業(yè)于牛津大學(xué)的熱帶病專家，母親也畢業(yè)于牛津大學(xué)，研究哲學(xué)、政治和經(jīng)濟(jì)。

霍金出生這天正好是現(xiàn)代物理學(xué)的始祖——伽利略逝世300年的忌日。當(dāng)然，他并沒有把這種巧合當(dāng)成某種奇跡，他曾經(jīng)說(shuō)：“我估計(jì)那一天還有其他20萬(wàn)個(gè)嬰兒出生?！币苍S又是一次歷史巧合，3月14日又恰好是愛因斯坦的誕辰，不知道霍金在天有何感想。

求學(xué)經(jīng)歷

霍金在17歲的時(shí)候進(jìn)入了牛津大學(xué)，父親希望他學(xué)醫(yī)，因?yàn)閷W(xué)醫(yī)工作機(jī)會(huì)更多一些，但霍金卻對(duì)數(shù)學(xué)和物理充滿熱情，最終以物理作為自己的專業(yè)。本科畢業(yè)后，他拿到了一等學(xué)位證進(jìn)入劍橋大學(xué)深造。

在理論物理學(xué)中，有兩個(gè)最基本的方向：一個(gè)是研究微觀領(lǐng)域的粒子物理學(xué)，另一個(gè)是研究宏觀領(lǐng)域的宇宙學(xué)。當(dāng)年，霍金覺得粒子物理學(xué)更像是給各種粒子分類，沒有一個(gè)統(tǒng)一的理論指導(dǎo)（當(dāng)年還沒有粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型）；而宇宙學(xué)中，有現(xiàn)成的廣義相對(duì)論，于是他選擇了后者作為自己的研究方向。

在劍橋大學(xué)，有一位世界最著名的天文學(xué)家福雷德·霍伊爾。霍金當(dāng)時(shí)也是奔著霍伊爾去的，但未能如愿以償。他的導(dǎo)師被指定為物理學(xué)家席艾瑪。事實(shí)證明，席艾瑪?shù)膸W(xué)生風(fēng)格更適合霍金。20世紀(jì)60年代和70年代初，他的大部分精力都是用來(lái)為他的學(xué)生營(yíng)造一個(gè)理想的成長(zhǎng)環(huán)境，把個(gè)人的研究放在了第二位，獲得的獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)更多的是他的學(xué)生，這樣的導(dǎo)師更符合蠟燭的精神：燃燒自己，照亮別人。除霍金外，席艾瑪還培養(yǎng)了諸如馬丁·里斯這樣的一大批世界頂級(jí)的天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家。

重要科學(xué)貢獻(xiàn)

奇性定理

1916年，在愛因斯坦廣義相對(duì)論剛剛提出后，德國(guó)數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家史瓦西就得到了愛因斯坦場(chǎng)方程的第一個(gè)嚴(yán)格解，即史瓦西外部解或史瓦西度規(guī)，也就是數(shù)學(xué)意義上的黑洞。

然而，現(xiàn)實(shí)中是否存在黑洞呢？當(dāng)時(shí)科學(xué)界是存在很大爭(zhēng)議的。

1939年，美國(guó)“原子彈之父”奧本海默及其合作者研究了完全球?qū)ΨQ、密度均勻，沒有旋轉(zhuǎn)，沒有壓力的理想恒星的坍縮過程。在這種完全理想的前提下，恒星的質(zhì)量大到一定程度，黑洞的形成是不可避免的，從而形成與外界宇宙隔離的視界（Horizon）。那么，黑洞中心會(huì)形成什么呢？奧本海默并沒有給出任何解釋。但他的方程卻暗示著，在黑洞的中心會(huì)形成體積無(wú)限小、密度無(wú)限大的奇點(diǎn)（Singularity）。

然而，奧本海默的模型太簡(jiǎn)單了，現(xiàn)實(shí)中恒星多少都有旋轉(zhuǎn)，不可能完全不受干擾保持完美球?qū)ΨQ。因此，任何非完美的恒星在坍縮的過程中，存在發(fā)生反彈的可能性，不會(huì)在中心形成奇點(diǎn)。關(guān)于這一點(diǎn)，蘇聯(lián)物理學(xué)家栗弗席茲曾給出過證明。

1964年，英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯利用拓?fù)鋵W(xué)的方法證明，無(wú)論有什么干擾，在坍縮黑洞的中心會(huì)不可避免地形成奇點(diǎn)，1970年，霍金和彭羅斯證明了，在廣義相對(duì)論的框架下，我們的宇宙在大爆炸的開端也有一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)，如果有一天再發(fā)生坍縮，必然在大擠壓中再次形成奇點(diǎn)。這就是著名的奇性定理。

▲ 1970年，霍金和彭羅斯證明，我們的宇宙在大爆炸的開端有一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)

霍金輻射

在大家心目中，黑洞是那種只吃不吐的引力怪物。沒有任何東西能夠逃脫黑洞的束縛，包括光線。上面的認(rèn)識(shí)都是基于經(jīng)典的廣義相對(duì)論，當(dāng)考慮到量子場(chǎng)論效應(yīng)時(shí)，頭腦中的觀念就要發(fā)生改變了。

▲霍金輻射示意圖

真空并不是完全的空，而是充滿了起伏不定的量子漲落，各種正、反虛粒子對(duì)不斷產(chǎn)生和湮滅。黑洞視界附近是一個(gè)危險(xiǎn)的區(qū)域，通常那里潮汐力很強(qiáng)，會(huì)把“虛粒子對(duì)”拉開一定距離，當(dāng)“虛粒子對(duì)”得到足夠多的能量時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)化為真實(shí)存在的實(shí)粒子，當(dāng)處于視界外的粒子飛走時(shí)，就帶走了黑洞的能量，也是帶走了黑洞的質(zhì)量。這樣，黑洞質(zhì)量就會(huì)逐漸變小，該過程又稱為“黑洞蒸發(fā)”。

另一個(gè)等價(jià)的圖景：一個(gè)虛粒子帶正能量、一個(gè)帶負(fù)能量，負(fù)能量的粒子更容易被黑洞吞噬，留下正能量的粒子逃離黑洞，從而帶走能量和質(zhì)量，黑洞因吞噬了負(fù)能量粒子而損失了能量和質(zhì)量。這也是霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中描繪的圖景。

根據(jù)霍金輻射的計(jì)算公式，黑洞的溫度與質(zhì)量成反比，通常黑洞的溫度都是非常低的。太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，溫度只有60納開，這樣的黑洞從宇宙背景輻射吸收的能量要大于因輻射損失的能量，因此永遠(yuǎn)不會(huì)蒸發(fā)掉。

理論上，月球質(zhì)量的黑洞，其溫度和宇宙背景輻射的溫度相當(dāng)，恰好能做到收支平衡。因此，可以想象，小質(zhì)量的黑洞溫度會(huì)更高。如果粒子對(duì)撞機(jī)能產(chǎn)生黑洞的話，那么會(huì)因霍金輻射而瞬間蒸發(fā)掉的，因此無(wú)需擔(dān)心那樣小的黑洞吞噬地球。

有理論推測(cè)，在宇宙大爆炸初期，會(huì)形成小質(zhì)量的原初黑洞（Primordial black holes），這些小黑洞溫度很高，壽命相對(duì)較短，會(huì)釋放出高能伽馬射線。如果能探測(cè)到這種伽馬射線，就能驗(yàn)證霍金輻射的存在。然而，到目前為止，還沒有得到令人信服的觀測(cè)證據(jù)，因此霍金也一直沒能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

黑洞面積定理

1971年，霍金理論發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黑洞發(fā)生碰撞合并時(shí)，新形成黑洞的視界面積不能小于合并前黑洞視界面積之和。

▲2015年及其隨后幾次黑洞合并事件都驗(yàn)證了黑洞面積定理的正確性

2015年9月14日，物理學(xué)家首次探測(cè)到來(lái)自14億光年外兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，兩個(gè)黑洞的初始質(zhì)量分別為29個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量和36個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，合并形成黑洞的質(zhì)量為62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，損失的3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量以引力波的形式釋放到宇宙空間。

根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞的視界半徑與質(zhì)量成正比，因此黑洞的視界面積與質(zhì)量的平方成正比。簡(jiǎn)單的計(jì)算就會(huì)發(fā)現(xiàn)，合并形成的黑洞的視界面積大于合并之前兩個(gè)黑洞視界面積之和。后續(xù)的幾次黑洞合并事件，也都沒違反黑洞面積定理。該定理為黑洞合并產(chǎn)生引力波的效率設(shè)定了上限。

曾經(jīng)有人預(yù)測(cè)，霍金會(huì)因這項(xiàng)工作榮獲諾貝爾獎(jiǎng)，但最近一次諾貝爾物理獎(jiǎng)仍與他無(wú)緣。

無(wú)邊界宇宙模型

1981年，霍金在梵蒂岡召開的一次學(xué)術(shù)會(huì)上提出一個(gè)猜想：宇宙沒有邊界，也沒有開始和結(jié)束。1983年，他與吉姆·哈特利用量子力學(xué)和廣義相對(duì)論嚴(yán)格論證了他的這個(gè)猜想。他們認(rèn)為，在宇宙大爆炸之前，時(shí)間是不存在的，談?wù)撚钪婧螘r(shí)開始沒有意義。宇宙大爆炸經(jīng)典模型中的“奇點(diǎn)”被像北極那樣的點(diǎn)代替。雖然人們抵達(dá)北極后再也無(wú)法繼續(xù)往北前進(jìn)，但那里并不存在真正的邊界。

科普成就

1982年，霍金首次打算寫一本有關(guān)宇宙方面的科普讀物，有部分原因是為女兒掙一部分學(xué)費(fèi)，主要還是為了向大眾普及宇宙學(xué)方面的最新進(jìn)展。經(jīng)過幾年的努力，經(jīng)歷了很多曲折，1988年4月《時(shí)間簡(jiǎn)史》首先在美國(guó)出版，首次印刷了4萬(wàn)冊(cè)，很快就供不應(yīng)求。出版社趕緊加印，據(jù)說(shuō)夏天還沒過完，在美國(guó)就賣出了50萬(wàn)冊(cè)。當(dāng)年6月，開始在英國(guó)出版，幾天之內(nèi)，在倫敦被搶購(gòu)一空，高居暢銷書排行榜首位。

在隨后的這些年，《時(shí)間簡(jiǎn)史》被翻譯成不下40種文字，全球的累計(jì)銷量早已超過1000萬(wàn)冊(cè)。

霍金曾說(shuō)：“一本科學(xué)方面的書籍能和明星的回憶錄競(jìng)爭(zhēng)，也許這樣人類才有希望。我很高興這本書能為一般大眾所接受，而不僅僅是學(xué)者。當(dāng)今時(shí)代，科學(xué)起了巨大的作用，所以我們每個(gè)人對(duì)于科學(xué)是什么都應(yīng)該有一些概念，這是非常重要的?！?/p>

除了《時(shí)間簡(jiǎn)史》之外，霍金還寫了大量的科普書籍向公眾進(jìn)行科學(xué)宣傳，如《時(shí)空本性》《果殼中的宇宙》以及《大設(shè)計(jì)》等。

▲2007年4月，霍金在飛機(jī)上體驗(yàn)零重力漂浮

太空夢(mèng)想

2007年4月26日，霍金搭乘“零重力”（ZERO-G）公司的飛機(jī)在大西洋上空進(jìn)行了失重體驗(yàn)。

醫(yī)護(hù)人員將霍金扶到飛機(jī)的前排，讓他背靠一塊特殊的泡沫枕墊。然后，飛機(jī)上沖到萬(wàn)米高空，再急速俯沖回距離地面7000米處，使霍金和其他乘客體驗(yàn)一次25秒的失重狀態(tài)?；艚疬@次探險(xiǎn)，共完成了8次俯沖，累計(jì)3分20秒的失重狀態(tài)。

飛行前，霍金在接受記者采訪時(shí)說(shuō)：“你可以想象，我非常興奮，在輪椅上呆了差不多40年，現(xiàn)在能夠體驗(yàn)零重力飛行真是太好了?！?/p>

2014年霍金在與國(guó)際空間站航天員對(duì)話時(shí)說(shuō)：“2007年，我有幸搭乘‘零重力 ’航班體驗(yàn)了失重飛行，對(duì)我來(lái)說(shuō)那才是真正的自由。熟悉我的人都說(shuō)從未看到過我如此燦爛的笑容，在那短暫的幾分鐘里，我是超人。像你們這樣能當(dāng)6個(gè)月的超人，我只能想象了?！?/p>

2015年7月20日（阿波羅登月紀(jì)念日），俄羅斯投資人尤里·米爾納向公眾宣布“突破聆聽計(jì)劃”（Breakthrough Listen），旨在通過全球頂級(jí)的射電和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)外星人存在的信號(hào)。該計(jì)劃還有一封由著名科學(xué)家簽名的公開信，包括霍金?；艚鹫f(shuō)：“宇宙中，一定存在其他生命，現(xiàn)在是尋找答案的時(shí)候了，沒有比這更重要的事情。”

2016年4月12日，尤里·米爾納又宣布了“突破攝星計(jì)劃”（Breakthrough Starshot）?；艚鹩H臨現(xiàn)場(chǎng)為該計(jì)劃站臺(tái)助威。

▲“突破攝星”計(jì)劃的光帆飛行器需要強(qiáng)勁的地面激光陣列供能

▲2016年4月12日，霍金親臨現(xiàn)場(chǎng)為“突破攝星”計(jì)劃站臺(tái)

▲2006年6月18日，霍金來(lái)到天壇祈年殿前靜靜的坐在輪椅上與天地對(duì)話

該計(jì)劃設(shè)想在地面上建設(shè)激光陣列，然后利用激光產(chǎn)生的光壓推動(dòng)極薄、極輕的光帆高速前進(jìn)，在200萬(wàn)公里的距離上完成加速過程，并使光帆的速度達(dá)到光速的20%！以這樣的高速奔向最近的半人馬座阿爾法恒星系統(tǒng)（4.3光年）僅需20多年。

光帆攜帶一個(gè)厘米大小的芯片，小小的芯片上面集成有核電池、微處理器、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、以及高清相機(jī)等等，真可謂是“麻雀雖小，五臟俱全”，是一枚真正的探測(cè)器。為了節(jié)約加速能量，光帆和芯片的質(zhì)量限制在克量級(jí)。光帆和微芯片的組合體可以成群地運(yùn)行在地球軌道上，等待激光陣列的加速一個(gè)個(gè)奔向深空。

當(dāng)然，這個(gè)激進(jìn)的設(shè)想給當(dāng)前人類的科技水平提出了很大的挑戰(zhàn)！激光器的連續(xù)輸出功率要求為100吉瓦（1億千瓦），相當(dāng)于五個(gè)三峽水電站的輸出功率。這樣強(qiáng)大的激光對(duì)光帆來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是噩夢(mèng)，在承受極大光壓的同時(shí)，還要承受極高的溫度。抵達(dá)目標(biāo)后，微芯片探測(cè)器想要把信息發(fā)回4.3光年之遙的地球并接收難度極大，因?yàn)樾酒陌l(fā)射功率實(shí)在有限。

我們知道，霍金為人類的命運(yùn)操碎了心，他一直鼓勵(lì)像這種前瞻性的研究，鼓勵(lì)人類探索宇宙的嘗試。但愿該計(jì)劃進(jìn)展順利，讓我們這代人有機(jī)會(huì)目睹奇跡的發(fā)生吧。

霍金的一生是與病魔抗?fàn)幍囊簧?，是仰望星空的一生。借?006年接受央視采訪時(shí)說(shuō)過的一段話作為本文的結(jié)束：“雖然我的身體條件有限，但我的思想能夠自由探索宇宙，回到時(shí)間的起點(diǎn)和深入黑洞當(dāng)中，人類的探索精神無(wú)極限?！?/p>

相關(guān)鏈接

霍金的三次中國(guó)之旅

1985年，霍金分別在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和北京師范大學(xué)做了科學(xué)演講。那次，他首次登上了長(zhǎng)城，成為了他一生難忘的旅途記憶。

2002年，霍金再次到北京參加國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)，并再次登上長(zhǎng)城。

2006年，霍金第三次到北京參加國(guó)際弦論大會(huì)，并在人民大會(huì)堂作了次“宇宙的起源”為題的公開演講。