蔡麗君

2018年3月14日，當代偉大的著名理論物理學家、宇宙學家斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking ）離世?；仡櫥艚鸬囊簧晃分丶?、身殘志堅是霍金的精神豐碑，他用勇氣和堅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。“身體殘疾，思想?yún)s像光速飛行?！被艚痣x世后，著名科幻作家劉慈欣留下了這樣的評價，這個評價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，父母都是高級知識分子。父親弗蘭克·霍金畢業(yè)于牛津大學醫(yī)學院，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學習哲學、政治學、經(jīng)濟學?；艚饛男〉募彝シ諊褪菄@著讀書，家里的裝修、家具都很簡單，但到處都堆放著書。即使是在餐桌上吃飯的時候，也經(jīng)常是爸爸、媽媽、霍金及兩個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一級榮譽學士學位，20歲就前往劍橋大學研究宇宙學。不幸的是，21歲的霍金被診斷出患有肌萎縮性脊髓側索硬化癥，即“漸凍人癥”。2014年流行的“冰桶挑戰(zhàn)”，就是為了引起大家對“漸凍人癥”的注意。當時醫(yī)生斷言霍金只剩下兩年生命。他很快接受了這一現(xiàn)實，并看開一切，說：“在我21歲時，我的期望值變成了零，自那以后，一切都變成了額外津貼?！?/p>

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

1962年，霍金來到劍橋大學攻讀博士學位，1979年-2009年任劍橋大學盧卡斯數(shù)學教授（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)擔任應用數(shù)學和物理系首席教授，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勛爵，2009年獲得美國總統(tǒng)自由勛章，以及皇家學會的科普利獎章、阿爾伯特·愛因斯坦科學獎、皇家天文學會金獎、基礎物理獎、BBVA基金會基礎科學前沿獎，等等。還曾被授予英國皇家學會會員、羅馬教皇科學院院士、美國科學院院士等稱號。

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，兩次登上長城。在他學院書房的墻壁上，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簡單的句子，卻寫出了科普創(chuàng)作的豐碑——《時間簡史》，被譯成40余種文字，銷往全球，點燃了幾代人心中的科學火種。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圖書獎之一的安萬特科學圖書獎。

你不知道的霍金

作為享譽全球的物理家，霍金可謂是個擁有多重職業(yè)和身份的人，絲毫沒有因為疾病影響他做自己喜歡的事情。霍金有三大愛好：物理、打賭和唱歌。雖然他的賭運并不怎么樣。他曾經(jīng)同朋友賭了三次有關黑洞的賭局，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。雖然因為疾病已不能發(fā)聲，但在1994年與2014年，他利用電子發(fā)聲器獻聲，和英國大神級迷幻搖滾樂團平克·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，他以動畫形象，坐著會飛的輪椅向男主角大談黑洞、奇點、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進行為期數(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“我是個樂觀主義者”，正是憑借這種樂觀的心態(tài)對抗病魔逾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”這項運動。他經(jīng)常把電動輪椅開到全速檔，疾駛到馬路中間，享受助理被嚇壞的表情。他有一個特殊的“愛好”——據(jù)美國《每日野獸》（ The Daily Beast ）報道，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個人之一。在《時代》雜志的“10問霍金”中，有一個問題是“你覺得人類有一天會理解物理學的全部嗎？”霍金幽默風趣地回答，“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了一個理論物理學家用紙筆計算的權利，卻能在腦海中推演整個宇宙的運轉(zhuǎn)，推開通往量子引力的大門。

霍金的理論貢獻

在大多數(shù)人看來，霍金是一個純粹的文化符號——每個人都知道他的名字，卻幾乎沒有人真正理解他在物理學領域做了什么。對于大部分人來說，“霍金到底偉大在哪兒？他為何而出名？”這是一個很難回答的問題。這一切，都要從我們該用什么理論解釋這個世界的一切說起。

從16世紀起，伽利略、開普勒、惠更斯……一批又一批的科學家，把他們觀察的目標對準了宇宙，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，我們能實驗的范圍也很有限。

直到牛頓橫空出世。牛頓的偉大不但在于他試驗和總結得出了“F=ma”這個公式，更關鍵的是，他認為這個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)學和各種公式設立了一整套物理體系，他把力、速度、加速度、能量、動量等各種概念都嚴格定義了出來，用數(shù)學方式找到了它們之間的關系。牛頓還通過大量實驗，證明了任何兩個物體之間都存在著吸引力，總結出萬有引力定律。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算出來。牛頓的這套理論，也被稱為經(jīng)典物理學。

隨著人們對這個世界了解的不斷深入，科學家們發(fā)現(xiàn)，在很多領域，經(jīng)典物理學解釋不了他們發(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。一個最簡單的例子是，在牛頓的體系里，如果加速度保持不變，那么物體的速度應該會達到無窮大，可在現(xiàn)實世界里，我們并沒有能找到任何一個物體的速度能突破光速。為了解釋這兩端的現(xiàn)象，兩個截然不同的科學體系出現(xiàn)了：那就是解釋宏觀（也就是極大）體系的愛因斯坦的相對論，以及解釋微觀（也就是極小）體系的普朗克的量子力學。

1910年，相對論橫空出世。愛因斯坦用另外一種體系解釋了宇宙。就拿地球為什么會繞著太陽公轉(zhuǎn)舉例。牛頓認為，在巨大的物體附近，存在著一種“力場”。這種力場就像磁場一樣，對其中的其他物質(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蘋果。而愛因斯坦的相對論認為，引力本身就是時空的一部分，是時空的幾何屬性。當物體的質(zhì)量大到一定程度，其附近的空間就會產(chǎn)生扭曲，從而改變周邊一切物體的運動模式。比如地球繞著太陽轉(zhuǎn)，衛(wèi)星繞著地球轉(zhuǎn)。

據(jù)此，科學家推斷出了一個在當時看來近乎天方夜譚的觀點：如果有一個質(zhì)量極大的恒星，它自身產(chǎn)生的重力也無比巨大，最終恒星必定會因為不堪自身重負而坍縮成一個密度和曲率都無窮大、體積無窮小的點。在這個點的周邊，會創(chuàng)造出一片引力極強、質(zhì)量極大、連光都無法逃出的特殊區(qū)域。在時空的維度上，就像一個無比深凹的洞。科學界給定義了一個簡單的名詞：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，用嚴謹數(shù)學推理證明：如果你能進入黑洞中心，就會發(fā)現(xiàn)里面關于黑洞的所有質(zhì)量，都會匯聚到一個點上——奇點，一個體積無限小、彎曲無限大、密度無限大、引力無限大的一個點。之前，人們對奇點的形成有所爭論，認為在形成奇點的過程中會發(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的存在。這也是他學術生涯中第一個舉足輕重的定理：奇點定理——黑洞的中心存在一個奇點。

那黑洞的邊緣又會發(fā)生什么？最初的時候，霍金也跟主流科學界一樣，認為黑洞是一個只吞不吐，永遠吃進周圍物質(zhì)，質(zhì)量不斷增加的物體。然而經(jīng)過思考和研究，他創(chuàng)立了一個理論：黑洞確實在放出黑體輻射，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理論，霍金在學術界破天荒地用了相對論之外的另一套物理體系來解釋自己的理論——量子力學。量子力學告訴我們，時空是分散的。在真空中，隨時會憑空出現(xiàn)一對虛粒子對：一個正粒子和一個反粒子，一個攜帶正能量，一個攜帶負能量。這些虛粒子會憑空出現(xiàn)，存在極短的一段時間，然后又相互碰撞結合而湮滅。因為他們存在的時間極其短而無法被檢測到，所以將他們稱為虛粒子。

霍金把這個理論，用在了解釋黑洞邊緣上。霍金認為，如果剛好有一對虛粒子，產(chǎn)生在黑洞的這個邊緣，由于黑洞的引力很強，有可能有一個跌入黑洞，而另一個沒有。因為兩個虛粒子一個有正質(zhì)量，而一個有負質(zhì)量，因此被吸入的是負質(zhì)量的那個。

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

霍金的解釋是，這個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。黑洞吞噬了一個負能量的粒子，減少了自己的質(zhì)量，而另一個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，墜入黑洞的粒子質(zhì)量為負，在它們的作用下，黑洞變得越來越小，直至消失。這個過程叫做黑洞蒸發(fā)，當然，此過程非常漫長。由于體積不斷變小，黑洞自己也有生命的終點。它最終會變成一個迷你黑洞，在黑洞生命最后階段的時刻，這個迷你黑洞會爆炸，其威力相當于100萬顆百萬噸級的氫彈。在一場大爆炸中，黑洞的一切，灰飛煙滅。

我們現(xiàn)在所處的宇宙，曾經(jīng)就是一個奇點，即所謂的宇宙大爆炸奇點。隨著這個奇點爆炸，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，科學界一直想找出一種方法，能夠統(tǒng)一相對論和量子力學。然而一直沒有誰能完成，而霍金用相對論和量子力學來解釋黑洞邊緣，來解釋黑洞質(zhì)量減少的理論，卻是在當時走出了這大一統(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)，后來的科學家又有了很多驚人的發(fā)現(xiàn)。例如，黑洞的溫度和熵?？茖W界至今雖然公認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非常偉大，但無法獲得諾貝爾物理學獎的原因。

史蒂芬·霍金，或許不是當代最偉大的物理學家，但毋庸置疑是最有影響力的物理學家之一。他留給我們的，不僅僅是他的大爆炸、黑洞理論，還有他與病魔抗爭的樂觀，笑對生活的風趣，以及妙語連珠的睿智。我們不應該感到悲傷，應該笑著送別這個擁有智慧，更擁有趣味的科學家，他教會我們的，遠比宇宙更多。

（作者單位為美國舊金山州立大學物理與天文系）