霍金為什么偉大

英國那些事兒

許多人說，霍金是以《時間簡史》等科普讀物以及傳奇的人生贏得盛名的。實際上并非如此。

這一切，都要從我們該用什么理論解釋這個世界說起。

經(jīng)典物理學(xué)

從16世紀(jì)起，伽利略、開普勒、惠更斯……一批又一批的科學(xué)家把他們的觀察目標(biāo)對準(zhǔn)了宇宙，嘗試解釋更多的天文現(xiàn)象。然而，這樣的物理學(xué)，是有局限的。我們觀察到的范圍很有限，我們能驗證的范圍也很有限。

直到牛頓橫空出世。

他的偉大不僅在于他試驗和總結(jié)出了“F=ma”這個公式，更關(guān)鍵的在于他認(rèn)為這個公式適用于世界上的所有物體，小到一個蘋果、皮球，大到宇宙中的太陽和星系……在F=ma之上，牛頓用數(shù)學(xué)和各種公式設(shè)立了一整套物理體系，他把力、速度、加速度、能量、動量等概念都嚴(yán)格地作了定義，用數(shù)學(xué)的方式表達(dá)它們之間的關(guān)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引力，總結(jié)出萬有引力定律。

人們第一次發(fā)現(xiàn)，世界上的很多東西，可以用牛頓的這套理論精確地計算出來。牛頓的這套理論，被稱為經(jīng)典物理學(xué)。

黑 洞

然而，隨著我們對這個世界了解的不斷深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在很多領(lǐng)域，牛頓的經(jīng)典物理學(xué)解釋不了某些現(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，在牛頓的理論體系里，如果加速度保持不變，那物體的速度應(yīng)該會達(dá)到無窮大?？稍诂F(xiàn)實世界里，為什么我們沒有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(xué)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?。w系的普朗克的量子力學(xué)。

1905年，愛因斯坦的相對論橫空出世。愛因斯坦用另一種體系解釋了我們的這個宇宙。

就拿地球為什么會繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)為例。牛頓認(rèn)為，在巨大的物體附近，存在一種“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(rèn)為，引力本身就是時空的一部分，是時空的幾何屬性。當(dāng)物體的質(zhì)量大到一定程度，其附近的空間就會扭曲，從而改變周邊一切物體的運(yùn)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(xué)家推斷出一個在當(dāng)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，它自身的重力也無比巨大，最終恒星必定會因為不堪自身重負(fù)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(qiáng)、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，它就像一個深凹的洞?？茖W(xué)界給了它一個簡單的名稱：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？在黑洞的邊緣發(fā)生了什么？

1970年，霍金與羅杰·彭羅斯合作，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推理證明：如果你能進(jìn)入黑洞中心，就會發(fā)現(xiàn)黑洞的所有質(zhì)量都會匯聚到一個點——奇點上，一個體積無限小、彎曲無限大、密度無限大、引力無限大的點。

之前，人們對奇點的形成有爭論，認(rèn)為在形成奇點的過程中會發(fā)生其他的事情。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(xué)術(shù)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。

霍金輻射理論

那黑洞的邊緣又會發(fā)生什么？

最初，霍金也跟主流科學(xué)界一樣，認(rèn)為黑洞是一個只吞不吐，永遠(yuǎn)吃進(jìn)周圍的物質(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)量是在不斷減小的。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(xué)術(shù)界破天荒地用了相對論之外的另一套物理體系——量子力學(xué)。

量子力學(xué)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(fù)能量。這些虛粒子會憑空出現(xiàn)，存在極小的一段時間，然后因相互碰撞、結(jié)合而湮滅。因為它們存在的時間極其短而無法被檢測到，所以將它們稱為“虛粒子”。

而霍金把這一理論用在了對黑洞邊緣的研究上。霍金認(rèn)為，如果剛好有一對虛粒子，產(chǎn)生在黑洞的邊緣，由于黑洞的引力很強(qiáng)，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，一個有負(fù)質(zhì)量，因此被吸入的，是負(fù)質(zhì)量的那個。

按照量子理論，這對正反粒子應(yīng)該是一出現(xiàn)，馬上就會互相碰撞湮滅而達(dá)到能量守恒，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，變成一個有正能量的實粒子。那這個能量是哪里來的？

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。黑洞吞了一個負(fù)能量的粒子，減少了自己的質(zhì)量，而有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。這些粒子是從黑洞邊緣空虛的空間里變出來后逃逸的，并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(fù)，在它們的作用下，黑洞變得越來越小，直至消失。當(dāng)然，這個過程非常漫長。由于質(zhì)量不斷變小，黑洞自己也有生命的終點。它最終會變成一個迷你黑洞，在黑洞生命的最后階段，這個迷你黑洞會爆炸，其威力相當(dāng)于100萬顆百萬噸級的氫彈。在一場大爆炸中，黑洞灰飛煙滅，奇點也會爆炸。

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”。隨著這個奇點的爆炸，才形成了星系、恒星、行星以及此刻拿著手機(jī)緬懷霍金的你和我。

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里，我們創(chuàng)立了兩種不同的體系來解釋不同的事物。多少年來，科學(xué)界一直想找出一個方法，能夠統(tǒng)一相對論和量子力學(xué)。然而這一直沒有誰能完成，而霍金用相對論和量子力學(xué)來解釋黑洞邊緣，解釋黑洞質(zhì)量減小的理論，卻是在當(dāng)時走出了這大一統(tǒng)的第一步。

（大浪淘沙摘自《羊城晚報》2018年3月24日）