讓斯蒂芬·霍金揚(yáng)名世界的發(fā)現(xiàn)

菲利普·鮑爾+高鵬

斯蒂芬·霍金或許是當(dāng)代最著名的天才了。

但是，到底是什么使他揚(yáng)名世界的呢？除了他在對(duì)抗疾病中展現(xiàn)出來的令人難以置信的達(dá)觀，以及他的那種讓人立刻就能辨認(rèn)出來的、充滿懷舊色彩的機(jī)器合成音，還有他在動(dòng)畫片《辛普森一家》和科幻電影《星際迷航》里跑龍?zhí)椎慕巧?/p>

是他發(fā)現(xiàn)了黑洞？ 還是他發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸？又或者是，他告訴了我們時(shí)間是什么？還是他完成了一些重大發(fā)現(xiàn)？不，不，不，不，這些都不是他做的。想撥開這錯(cuò)綜復(fù)雜的層層迷霧，說明白他到底發(fā)現(xiàn)了什么，真的是件很難的事情?；艚鸬膫髌娼?jīng)歷，掩蓋了他真正的成就。

2016年，霍金主講了里斯講座（譯者注： 里斯講座是英國廣播公司一年一度的重要講座，每年邀請(qǐng)名人發(fā)言）。這一邀約體現(xiàn)了演講者的地位：不僅僅是對(duì)這位專家在他的專業(yè)領(lǐng)域取得的地位的認(rèn)可，還意味著他已被認(rèn)為是公共知識(shí)分子的化身。因此，現(xiàn)在似乎正是拋開籠罩在霍金身上的光環(huán)，審視他作為物理學(xué)家的好時(shí)機(jī)。

他的天才貢獻(xiàn)完全配得上一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)

在就誰是20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家而進(jìn)行的幾次民意調(diào)查中，霍金要么榜上無名，要么排名墊底。甚至在誰是在世的最頂尖的物理學(xué)家民意調(diào)查中，也是如此。那么，他是不是根本就不像人們吹捧的那樣呢？

恰恰相反，霍金在現(xiàn)代物理學(xué)中所占的分量極為重要，只是在物理學(xué)家中有很多驚人的頭腦，而霍金只是其中之一。但是，如果將霍金在物理理論的基礎(chǔ)領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)放在一起加以考慮的話，那么他的天才貢獻(xiàn)完全配得上一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。這些領(lǐng)域是：萬有引力理論、宇宙學(xué)、量子理論、熱力學(xué)和信息論。

大型天體會(huì)扭曲其周圍的時(shí)間和空間

霍金的科學(xué)生涯始于廣義相對(duì)論。這是阿爾伯特·愛因斯坦在20世紀(jì)10年代提出的萬有引力理論，以取代艾薩克·牛頓的原有理論。

牛頓關(guān)于萬有引力的觀點(diǎn)是，大天體都能制造出一個(gè)可以滲透到空間中的引力場，就像磁場一樣。這一引力場能夠使有質(zhì)量的物體（如地球） 對(duì)另一個(gè)有質(zhì)量的物體（如月球或者一個(gè)蘋果）施加一個(gè)力。但牛頓并未說明這個(gè)力到底是怎么回事，他認(rèn)為那只是自然界中的一個(gè)事實(shí)，所有有質(zhì)量的物體都會(huì)創(chuàng)造出這樣一個(gè)場。

但是，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，萬有引力并非空間中的場，而是空間本身的一種屬性。

愛因斯坦的觀點(diǎn)是：大天體，比如太陽，會(huì)使其周圍空間發(fā)生扭曲；這一空間的扭曲會(huì)影響到其周圍所有事物的運(yùn)動(dòng)。舉例來說，正是這一扭曲使得地球運(yùn)行在環(huán)繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道上，就如一顆大理石彈珠繞著一個(gè)碗的邊沿旋轉(zhuǎn)一樣。

根據(jù)愛因斯坦的理論所做的預(yù)測，其中之一就是：一個(gè)足夠大的天體，比如一顆質(zhì)量足夠大的恒星，在其生命的最終階段可能在其自身引力的作用下塌陷；所有的質(zhì)量將收縮成一個(gè)密度無窮大、體積無窮小的點(diǎn)，稱為奇點(diǎn)。

這一塌陷將制造出一片被萬有引力嚴(yán)重扭曲的空間，即便是光也無法逃脫。我們將其稱為黑洞。

但是很多物理學(xué)家無法相信奇點(diǎn)這類稀奇古怪的理論。他們認(rèn)為，某些過程會(huì)干預(yù)其中，從而阻止這一幕的發(fā)生。因此，該觀點(diǎn)多年來一直停滯不前。

直到1959年霍金在牛津大學(xué)開始他本科階段學(xué)習(xí)的時(shí)候，物理學(xué)家才開始認(rèn)真對(duì)待這一觀點(diǎn)。該觀點(diǎn)相繼被美國新澤西州普林斯頓大學(xué)的約翰· 惠勒（據(jù)說正是他給黑洞取的名字），以及英國的羅杰·彭羅斯和蘇聯(lián)的雅可夫·澤爾多維奇仔細(xì)研究。

在物理學(xué)本科畢業(yè)后，霍金師從宇宙學(xué)家丹尼斯·夏默，開始在劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位。他的注意力被這股對(duì)廣義相對(duì)論和黑洞的復(fù)蘇浪潮所吸引。

也正是從此時(shí)起，霍金的非凡才智開始大放異彩。彼時(shí)，他剛剛在牛津大學(xué)啃下了一等榮譽(yù)學(xué)位，還有很多數(shù)學(xué)問題等著他去研究。同時(shí)，他也剛剛被診斷出患有肌萎縮側(cè)索硬化癥。這是一種運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病，最終將使他完全癱瘓。

霍金拓展了黑洞理論

在導(dǎo)師夏默的指導(dǎo)下，霍金開始思考宇宙大爆炸理論。該理論認(rèn)為，宇宙始于一個(gè)極小的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)隨后發(fā)生爆炸，從而誕生了宇宙?，F(xiàn)在這一理論已被廣泛接受，在當(dāng)時(shí)卻是頗具爭議的。

熵，就是指物質(zhì)變得更加混亂

霍金意識(shí)到，宇宙大爆炸很像是黑洞塌陷的反過程。他與彭羅斯進(jìn)一步發(fā)展了這一觀點(diǎn)。1970年，兩人共同發(fā)表了一篇論文，認(rèn)為廣義相對(duì)論揭示了宇宙必然始于一個(gè)奇點(diǎn)。

此時(shí)，霍金的病情已經(jīng)很嚴(yán)重了，即使拄著拐杖行走，對(duì)他也是一件極為困難的事。1970年年末的一個(gè)晚上，當(dāng)霍金費(fèi)力地爬上床的時(shí)候，他突然對(duì)黑洞有了新的領(lǐng)悟。當(dāng)時(shí)他并不知道，他的這一領(lǐng)悟?qū)⒓ぐl(fā)有關(guān)黑洞的一系列發(fā)現(xiàn)。

霍金意識(shí)到，黑洞只可能增大，永遠(yuǎn)不會(huì)變小。

這似乎是顯而易見的。因?yàn)?，如果靠黑洞太近的話，任何物質(zhì)都無法逃離，黑洞永遠(yuǎn)只會(huì)吞噬更多物質(zhì)，從而使自身獲得更大的質(zhì)量。

一個(gè)黑洞的質(zhì)量決定了其大小，而其大小是以視界半徑來計(jì)量的。視界是一個(gè)臨界點(diǎn)，越過該臨界點(diǎn)的任何物質(zhì)都無法逃離。而且，這一邊界還將不斷地向外擴(kuò)張，就像一個(gè)正在充氣的氣球一樣。

但是，霍金走得更遠(yuǎn)。他說，黑洞永遠(yuǎn)也不可能被分割成更小的個(gè)體，哪怕兩個(gè)黑洞相撞時(shí)也一樣。

而后，霍金做出另一個(gè)大膽的預(yù)測。他聲稱，視界永遠(yuǎn)擴(kuò)張的表面區(qū)域類似于另外一種物理常量，根據(jù)物理學(xué)，這個(gè)物理常量只能增加。

這一物理常量即為熵，它是用來度量一個(gè)系統(tǒng)的無序程度的。在一個(gè)晶體中，有規(guī)律地排列在一起的原子，其熵值是比較低的；而在氣體中，到處隨機(jī)漂移的原子具有較高的熵值。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，宇宙的總熵只可能增加，永遠(yuǎn)不會(huì)減少。換句話說，隨著宇宙年齡的增長，宇宙也將不可避免地變得更加無序?；艚鸢l(fā)現(xiàn)，自然界的這兩條定律——黑洞表面的增長以及宇宙總熵值的增長——是如此相似。

霍金發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)輻射能量

1970年年底，當(dāng)霍金宣布他的研究成果時(shí)，一位名叫雅各布·貝肯斯坦的年輕物理學(xué)家做出了一個(gè)更為大膽的猜想：如果這兩者之間不僅僅是相似，結(jié)果又會(huì)怎樣呢？貝肯斯坦認(rèn)為，可以把黑洞視界的表面作為黑洞熵值的一個(gè)度量手段。

但是，這一想法似乎是錯(cuò)誤的。如果一個(gè)物體有熵值，那就意味著它必須有溫度；而如果它有溫度的話，它就會(huì)向外輻射能量。然而，黑洞的重點(diǎn)特征就是沒有什么東西能夠逃出黑洞。

出于這個(gè)原因，大多數(shù)物理學(xué)家——包括霍金——都認(rèn)為貝肯斯坦的主張毫無意義。甚至貝肯斯坦自己也說，黑洞的表觀溫度不可能是真實(shí)的，因?yàn)橛纱藭?huì)得出一個(gè)自相矛盾的結(jié)論。

但當(dāng)霍金著手去證明貝肯斯坦的錯(cuò)誤時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)這位年輕學(xué)生是基本正確的，就像后來他承認(rèn)的那樣。為了證明這一結(jié)論，他不得不設(shè)法將物理學(xué)中的兩個(gè)不同的領(lǐng)域——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)——統(tǒng)一起來。此前，還從未有人做到這一點(diǎn)。

量子理論是用來描述微小到看不見的東西的，例如原子和組成原子的粒子；而廣義相對(duì)論是用來描述恒星和星系等宇宙尺度的事物的。

這兩種理論，似乎從根本上就是不相容的。廣義相對(duì)論認(rèn)為，空間是光滑并且連續(xù)的，就像一張床單一樣；而量子力學(xué)堅(jiān)持認(rèn)為，這個(gè)世界以及其中的萬事萬物，從最小尺度上講，都是粒狀的，并形成局部不連續(xù)的塊狀。

為了統(tǒng)一這兩種理論，物理學(xué)家已經(jīng)奮斗了數(shù)十年。如果能夠做到這一點(diǎn)的話，將形成一個(gè)萬有理論。借用一句俗套的話講，萬有理論可是現(xiàn)代物理學(xué)的“圣杯”。

在霍金早期的科學(xué)生涯中，曾渴望對(duì)這一理論一探究竟。但是在他對(duì)黑洞進(jìn)行的量子分析中，并未提出過萬有理論，而是采用了一種對(duì)現(xiàn)有兩種理論進(jìn)行拼湊的方式。

根據(jù)量子理論，人們認(rèn)為的真空事實(shí)上遠(yuǎn)非空無一物。因?yàn)闊o論從哪個(gè)尺度上來講，空間都不可能是平滑和絕對(duì)空無一物的，而是生機(jī)勃勃的。

成對(duì)的粒子總是不斷地自行出現(xiàn)，一個(gè)由物質(zhì)組成，另一個(gè)由反物質(zhì)組成。粒子對(duì)中的一個(gè)帶有正能量，另一個(gè)帶有負(fù)能量。因此，從整體上講，并沒有新能量的產(chǎn)生。隨后，這兩個(gè)粒子彼此湮滅，而湮滅的速度如此之快，以至于我們無法直接檢測到它們。因此，它們被稱為“虛擬粒子”。

霍金認(rèn)為，這些成對(duì)出現(xiàn)的粒子可以由“虛擬粒子”升級(jí)為“真實(shí)粒子”，但這種情況只可能發(fā)生在它們恰好出現(xiàn)在一個(gè)黑洞附近的時(shí)候。

在這種情況下，成對(duì)粒子中的一個(gè)有可能被吸入視界，而它的“同伴”卻滯留在外面；這個(gè)滯留在外面的粒子，隨后很可能被噴射到太空中。如果被黑洞吸入的是負(fù)能量粒子，那么黑洞的總能量將下降，因此它的總質(zhì)量也會(huì)下降。

最終的結(jié)果就是，黑洞會(huì)輻射能量（也就是人們通常所說的霍金輻射），逐漸變得越來越小。換句話說，霍金已經(jīng)證明自己錯(cuò)了：從根本上講，黑洞是可以變得更小的。這也就是說，黑洞會(huì)慢慢蒸發(fā)，黑洞并不是真正的黑。

更重要的是，這一收縮過程并不一定是緩慢而穩(wěn)定的。

1971年，霍金提出了一個(gè)關(guān)于黑洞輻射的激進(jìn)的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，在宇宙大爆炸過程中，一些物質(zhì)團(tuán)可能塌陷成小型黑洞。每個(gè)物質(zhì)團(tuán)可能重達(dá)數(shù)十億噸（雖然這聽起來給人一種很大的概念，但實(shí)際上它們遠(yuǎn)比地球小得多），其形成的黑洞可能比一個(gè)原子還要小。

因?yàn)楹诙措S著其視界表面越小溫度會(huì)越高，所以這么小的黑洞將是非常熱的，霍金將它們描述為“白熱”。它們會(huì)不斷地放射出霍金輻射，同時(shí)不斷地?fù)p失質(zhì)量，直到最終消失。

因此，黑洞是不會(huì)安安靜靜地一路走下去的。一個(gè)微型黑洞會(huì)隨著它尺寸的變小越來越熱，最后，它將以相當(dāng)于100萬顆百萬噸級(jí)TNT當(dāng)量的氫彈發(fā)生爆炸。

霍金在1974年發(fā)表于《自然》雜志的一篇論文中，描述了霍金輻射理論以及原始微型黑洞的爆炸。這是一個(gè)令人震驚的、充滿爭議的構(gòu)思?，F(xiàn)在，大部分物理學(xué)家都相信，黑洞的的確確會(huì)產(chǎn)生霍金輻射。

迄今，還沒有人設(shè)法檢測到過霍金輻射。但這并不奇怪：一個(gè)普通黑洞的溫度也就剛剛大于絕對(duì)零度，因此它以霍金輻射的方式釋放出的能量是微乎其微的。

霍金提出黑洞的消失會(huì)摧毀信息

1981年，霍金又宣布了正在消失的黑洞的另一個(gè)令人憂慮的問題。霍金說，黑洞的消失會(huì)摧毀信息。

當(dāng)粒子或光線進(jìn)入黑洞視界內(nèi)以后，就再也不會(huì)返回了。而任何諸如粒子或光線之類的實(shí)體，都可以被認(rèn)為是攜帶有信息的，例如有關(guān)粒子質(zhì)量與位置的信息。這些信息也會(huì)被封鎖在黑洞里。

如果黑洞煙消云散了，那么對(duì)這些信息來說，又會(huì)發(fā)生什么呢？這里有兩種可能：它們要么以某種形式進(jìn)入霍金輻射中，要么跟黑洞一樣永遠(yuǎn)消失?；艚鹇暦Q，不管哪種方式，最終都是它們消失了。

當(dāng)霍金在舊金山就這一觀點(diǎn)發(fā)表演講時(shí)，美國物理學(xué)家倫納德· 薩斯坎德就表示了反對(duì)。他認(rèn)為，如果信息從宇宙中消失，很難想象那會(huì)造成多大的混亂。他是為數(shù)不多的持有這種觀點(diǎn)的人之一。

我們喜歡按照先有因、后有果的方式進(jìn)行想象，而不是其他什么方式。雖然這些粒子通常在現(xiàn)實(shí)中并不存在，但是，從原則上來說，我們能夠以宇宙中任何粒子的現(xiàn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)，追蹤并重建它的歷史。

然而，如果信息在黑洞中被摧毀了，我們就不可能由果到因地進(jìn)行重建了。如果信息真的能夠丟失，那么整個(gè)因果理念都將開始搖搖欲墜了。

因此，當(dāng)霍金提出黑洞摧毀信息的觀點(diǎn)時(shí)，薩斯坎德就堅(jiān)稱這絕對(duì)是錯(cuò)誤的。

這場以一種相當(dāng)學(xué)院派的方式進(jìn)行的論戰(zhàn)持續(xù)了十幾年。但在1997年，它演變成了一場賭局，而這正是霍金喜歡的方式?；艚鹋c加州理工學(xué)院的約翰·裴士基打賭，賭注是一部百科全書?；艚鹳€信息會(huì)消失在黑洞中，而裴士基賭事實(shí)并非如此。

2004年，在都柏林召開的一個(gè)大會(huì)上，霍金最終承認(rèn)，薩斯坎德是對(duì)的，裴士基也得到了他的百科全書。但霍金以其典型的倔強(qiáng)性格指出，信息是以一種錯(cuò)誤的形式返回宇宙的，而且這種以錯(cuò)誤的形式返回的信息事實(shí)上是無法被解讀的，并且他已經(jīng)對(duì)此做出了證明。

第二年，霍金發(fā)表了一篇簡短的論文，對(duì)他的觀點(diǎn)做了進(jìn)一步說明。但這篇論文未能說服所有人認(rèn)可他的觀點(diǎn)。

這個(gè)小插曲有著典型的霍金風(fēng)格。他大膽且才華橫溢，但有時(shí)不夠嚴(yán)謹(jǐn)，使大家無法完全信服。有時(shí)候，他似乎是受直覺驅(qū)動(dòng)做出論斷，最終可能被證明是完全錯(cuò)誤的——就如他打賭稱希格斯粒子無法通過實(shí)驗(yàn)檢測到一樣。

在霍金研究黑洞的過程中，他將廣義相對(duì)論、量子理論、熱力學(xué)和信息論結(jié)合到了一起，這是開創(chuàng)性的和卓越的。他的其他研究成果都無法與此相提并論。

《時(shí)間簡史》讓霍金名揚(yáng)全球

20世紀(jì)80年代，霍金試圖用量子力學(xué)術(shù)語來描述宇宙大爆炸。在與詹姆斯·哈特爾的合作中，霍金提出了一個(gè)簡單的量子力學(xué)公式，想用它來描述早期的整個(gè)宇宙。但是這個(gè)理論太過籠統(tǒng)，以致對(duì)許多物理學(xué)家來說，它沒有太大的意義。

然而，這個(gè)理論公式的的確確向我們揭示了一件事情，即追問宇宙的終極起源。

量子力學(xué)指出，當(dāng)宇宙還是極其微小時(shí)，即不超過1幺米的十億分之一（譯者注：1幺米等于10-24米），空間和時(shí)間的界限是極其模糊的。這就意味著，在早期宇宙中，盡管時(shí)間和空間是各自獨(dú)立的，但它們的界限并沒有什么意義。時(shí)間“起源”的概念消失在量子泡沫之中。

這是霍金在其暢銷書《時(shí)間簡史》（1988）中提出的模型，這也奠定了他作為全球名人的地位，但這一觀點(diǎn)仍存在爭議。

現(xiàn)在有這么一種觀點(diǎn)，認(rèn)為霍金雖然有較強(qiáng)的創(chuàng)造力，但一直是在修修補(bǔ)補(bǔ)，從某種程度上可以說是白忙活。在他職業(yè)生涯的末期，他都是在對(duì)他人的構(gòu)思進(jìn)行深入思考，從而形成自己的觀點(diǎn)。

這是霍金的勵(lì)志故事的另一面。有一種說法，認(rèn)為他具有取之不盡的智慧源泉。事實(shí)上，盡管是他這樣的天才，也會(huì)像其他人一樣犯錯(cuò)。他的故事是很激勵(lì)人心，但并不意味著我們就應(yīng)該否定他人性的一面。

也許，這是因?yàn)槲覀兊纳鐣?huì)對(duì)殘疾人還有些不當(dāng)?shù)目捶?，使得我們?duì)一位嚴(yán)重殘疾，卻擁有超乎常人智慧的人士，感到非常著迷。

延伸閱讀

《霍金的故事》是由菲利普？馬丁執(zhí)導(dǎo)，本尼迪克特？康伯巴奇、邁克爾？ 布蘭登等主演的一部劇情片。

影片采用雙線敘述的手法，以霍金的劍橋生活為主線， 穿插兩位“發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸殘余輻射”的科學(xué)家接受電視采訪的過程。電影里的霍金是一個(gè)任性、直率，但又不服輸?shù)娜?。他?jiān)持在生病期間住在公共病房，堅(jiān)持在浴缸中做閉氣練習(xí)，堅(jiān)持直言不諱地指出導(dǎo)師的錯(cuò)誤，堅(jiān)持一個(gè)人學(xué)習(xí)生活，堅(jiān)持在心愛的簡面前逞強(qiáng)，堅(jiān)持做自己覺得對(duì)的事情，堅(jiān)持不停地思考，堅(jiān)持活著，像一個(gè)健康人一樣堅(jiān)持著本就屬于每一個(gè)人的尊嚴(yán)。他的任性讓他直率，他的倔強(qiáng)讓他從不向生命的曲折低頭。他的才華讓他出類拔萃，他對(duì)事業(yè)的熱情成為他孜孜不倦的最大動(dòng)力。

成功的霍金像個(gè)天真的孩子，執(zhí)拗地鉆進(jìn)了他的夢想，執(zhí)拗地讓全世界都聽到了他的聲音。他就像宇宙中那顆遙遠(yuǎn)的星，盡管在黑暗的某處已經(jīng)悄悄隕落，但那耀眼的光芒仍舊穿越了幾十萬光年，在我們的眼前閃耀。