蔡麗君
2018年3月14日,當(dāng)代偉大的著名理論物理學(xué)家、宇宙學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking )離世?;仡櫥艚鸬囊簧?,不畏重疾、身殘志堅(jiān)是霍金的精神豐碑,他用勇氣和堅(jiān)持在輪椅上譜寫了輝煌的篇章。
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?!吧眢w殘疾,思想?yún)s像光速飛行。”霍金離世后,著名科幻作家劉慈欣留下了這樣的評(píng)價(jià),這個(gè)評(píng)價(jià)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(jí)知識(shí)分子。父親弗蘭克·霍金畢業(yè)于牛津大學(xué)醫(yī)學(xué)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(xué)學(xué)習(xí)哲學(xué)、政治學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)?;艚饛男〉募彝シ諊褪菄@著讀書,家里的裝修、家具都很簡(jiǎn)單,但到處都堆放著書。即使是在餐桌上吃飯的時(shí)候,也經(jīng)常是爸爸、媽媽、霍金及兩個(gè)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(xué)一級(jí)榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位,20歲就前往劍橋大學(xué)研究宇宙學(xué)。不幸的是,21歲的霍金被診斷出患有肌萎縮性脊髓側(cè)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(duì)“漸凍人癥”的注意。當(dāng)時(shí)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(shí),并看開一切,說:“在我21歲時(shí),我的期望值變成了零,自那以后,一切都變成了額外津貼。”
隨著病情發(fā)展,他的身體漸漸失去控制并嚴(yán)重變形,之后喪失了語言能力,僅3根手指可以活動(dòng),再慢慢甚至連眼球追蹤技術(shù)都無法準(zhǔn)確鎖定他的目光,只能靠臉部一塊肌肉活動(dòng)。但即便這樣,他仍堅(jiān)持探尋科學(xué)真諦,不斷在宇宙學(xué)、物理學(xué)上攀越高峰。在身體每況愈下的情勢(shì)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(xué)攻讀博士學(xué)位,1979年-2009年任劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)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(dān)任應(yīng)用數(shù)學(xué)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(yù)勛爵,2009年獲得美國總統(tǒng)自由勛章,以及皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng)?wù)?、阿爾伯特·愛因斯坦科學(xué)獎(jiǎng)、皇家天文學(xué)會(huì)金獎(jiǎng)、基礎(chǔ)物理獎(jiǎng)、BBVA基金會(huì)基礎(chǔ)科學(xué)前沿獎(jiǎng),等等。還曾被授予英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、羅馬教皇科學(xué)院院士、美國科學(xué)院院士等稱號(hào)。
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(zhǎng)城。在他學(xué)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(gè)簡(jiǎn)單的句子,卻寫出了科普創(chuàng)作的豐碑——《時(shí)間簡(jiǎn)史》,被譯成40余種文字,銷往全球,點(diǎn)燃了幾代人心中的科學(xué)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?qǐng)D書獎(jiǎng)之一的安萬特科學(xué)圖書獎(jiǎng)。
作為享譽(yù)全球的物理家,霍金可謂是個(gè)擁有多重職業(yè)和身份的人,絲毫沒有因?yàn)榧膊∮绊懰鲎约合矚g的事情。霍金有三大愛好:物理、打賭和唱歌。雖然他的賭運(yùn)并不怎么樣。他曾經(jīng)同朋友賭了三次有關(guān)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?yàn)榧膊∫巡荒馨l(fā)聲,但在1994年與2014年,他利用電子發(fā)聲器獻(xiàn)聲,和英國大神級(jí)迷幻搖滾樂團(tuán)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(dòng)畫形象,坐著會(huì)飛的輪椅向男主角大談黑洞、奇點(diǎn)、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(xué)進(jìn)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(rèn)“我是個(gè)樂觀主義者”,正是憑借這種樂觀的心態(tài)對(duì)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(xiàng)運(yùn)動(dòng)。他經(jīng)常把電動(dòng)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(gè)特殊的“愛好”——據(jù)美國《每日野獸》( The Daily Beast )報(bào)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(huì)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(gè)人之一。在《時(shí)代》雜志的“10問霍金”中,有一個(gè)問題是“你覺得人類有一天會(huì)理解物理學(xué)的全部嗎?”霍金幽默風(fēng)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(shí)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(xué)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(huì)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(gè)理論物理學(xué)家用紙筆計(jì)算的權(quán)利,卻能在腦海中推演整個(gè)宇宙的運(yùn)轉(zhuǎn),推開通往量子引力的大門。
在大多數(shù)人看來,霍金是一個(gè)純粹的文化符號(hào)——每個(gè)人都知道他的名字,卻幾乎沒有人真正理解他在物理學(xué)領(lǐng)域做了什么。對(duì)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(gè)很難回答的問題。這一切,都要從我們?cè)撚檬裁蠢碚摻忉屵@個(gè)世界的一切說起。
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,把他們觀察的目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)和總結(jié)得出了“F=ma”這個(gè)公式,更關(guān)鍵的是,他認(rèn)為這個(gè)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(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(dòng)量等各種概念都嚴(yán)格定義了出來,用數(shù)學(xué)方式找到了它們之間的關(guān)系。牛頓還通過大量實(shí)驗(yàn),證明了任何兩個(gè)物體之間都存在著吸引力,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,用牛頓的這套理論可以被精確地計(jì)算出來。牛頓的這套理論,也被稱為經(jīng)典物理學(xué)。
隨著人們對(duì)這個(gè)世界了解的不斷深入,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),在很多領(lǐng)域,經(jīng)典物理學(xué)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(gè)最簡(jiǎn)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(yīng)該會(huì)達(dá)到無窮大,可在現(xiàn)實(shí)世界里,我們并沒有能找到任何一個(gè)物體的速度能突破光速。為了解釋這兩端的現(xiàn)象,兩個(gè)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(duì)論,以及解釋微觀(也就是極小)體系的普朗克的量子力學(xué)。
1910年,相對(duì)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?yàn)槭裁磿?huì)繞著太陽公轉(zhuǎn)舉例。牛頓認(rèn)為,在巨大的物體附近,存在著一種“力場(chǎng)”。這種力場(chǎng)就像磁場(chǎng)一樣,對(duì)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(gè)蘋果。而愛因斯坦的相對(duì)論認(rèn)為,引力本身就是時(shí)空的一部分,是時(shí)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(huì)產(chǎn)生扭曲,從而改變周邊一切物體的運(yùn)動(dòng)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)家推斷出了一個(gè)在當(dāng)時(shí)看來近乎天方夜譚的觀點(diǎn):如果有一個(gè)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(huì)因?yàn)椴豢白陨碇刎?fù)而坍縮成一個(gè)密度和曲率都無窮大、體積無窮小的點(diǎn)。在這個(gè)點(diǎn)的周邊,會(huì)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(shí)空的維度上,就像一個(gè)無比深凹的洞??茖W(xué)界給定義了一個(gè)簡(jiǎn)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(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)推理證明:如果你能進(jìn)入黑洞中心,就會(huì)發(fā)現(xiàn)里面關(guān)于黑洞的所有質(zhì)量,都會(huì)匯聚到一個(gè)點(diǎn)上——奇點(diǎn),一個(gè)體積無限小、彎曲無限大、密度無限大、引力無限大的一個(gè)點(diǎn)。之前,人們對(duì)奇點(diǎn)的形成有所爭(zhēng)論,認(rèn)為在形成奇點(diǎn)的過程中會(huì)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(diǎn)的存在。這也是他學(xué)術(shù)生涯中第一個(gè)舉足輕重的定理:奇點(diǎn)定理——黑洞的中心存在一個(gè)奇點(diǎn)。
那黑洞的邊緣又會(huì)發(fā)生什么?最初的時(shí)候,霍金也跟主流科學(xué)界一樣,認(rèn)為黑洞是一個(gè)只吞不吐,永遠(yuǎn)吃進(jìn)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(gè)理論:黑洞確實(shí)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(gè)理論,霍金在學(xué)術(shù)界破天荒地用了相對(duì)論之外的另一套物理體系來解釋自己的理論——量子力學(xué)。量子力學(xué)告訴我們,時(shí)空是分散的。在真空中,隨時(shí)會(huì)憑空出現(xiàn)一對(duì)虛粒子對(duì):一個(gè)正粒子和一個(gè)反粒子,一個(gè)攜帶正能量,一個(gè)攜帶負(fù)能量。這些虛粒子會(huì)憑空出現(xiàn),存在極短的一段時(shí)間,然后又相互碰撞結(jié)合而湮滅。因?yàn)樗麄兇嬖诘臅r(shí)間極其短而無法被檢測(cè)到,所以將他們稱為虛粒子。
霍金把這個(gè)理論,用在了解釋黑洞邊緣上?;艚鹫J(rèn)為,如果剛好有一對(duì)虛粒子,產(chǎn)生在黑洞的這個(gè)邊緣,由于黑洞的引力很強(qiáng),有可能有一個(gè)跌入黑洞,而另一個(gè)沒有。因?yàn)閮蓚€(gè)虛粒子一個(gè)有正質(zhì)量,而一個(gè)有負(fù)質(zhì)量,因此被吸入的是負(fù)質(zhì)量的那個(gè)。
按照量子理論,這正反粒子應(yīng)該是一出現(xiàn),馬上就會(huì)互相碰撞湮滅掉而達(dá)到能量守恒的,然而在這種情況下,一個(gè)粒子被吸入黑洞,另一個(gè)粒子沒法跟它碰撞湮滅。一個(gè)虛粒子,變成了一個(gè)有正能量的實(shí)粒子。那這個(gè)能量是哪來的?
霍金的解釋是,這個(gè)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(gè)負(fù)能量的粒子,減少了自己的質(zhì)量,而另一個(gè)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(shí),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。這個(gè)過程叫做黑洞蒸發(fā),當(dāng)然,此過程非常漫長(zhǎng)。由于體積不斷變小,黑洞自己也有生命的終點(diǎn)。它最終會(huì)變成一個(gè)迷你黑洞,在黑洞生命最后階段的時(shí)刻,這個(gè)迷你黑洞會(huì)爆炸,其威力相當(dāng)于100萬顆百萬噸級(jí)的氫彈。在一場(chǎng)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(gè)奇點(diǎn),即所謂的宇宙大爆炸奇點(diǎn)。隨著這個(gè)奇點(diǎn)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(xué)界一直想找出一種方法,能夠統(tǒng)一相對(duì)論和量子力學(xué)。然而一直沒有誰能完成,而霍金用相對(duì)論和量子力學(xué)來解釋黑洞邊緣,來解釋黑洞質(zhì)量減少的理論,卻是在當(dāng)時(shí)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(xué)家又有了很多驚人的發(fā)現(xiàn)。例如,黑洞的溫度和熵??茖W(xué)界至今雖然公認(rèn)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(xiàn)非常偉大,但無法獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的原因。
史蒂芬·霍金,或許不是當(dāng)代最偉大的物理學(xué)家,但毋庸置疑是最有影響力的物理學(xué)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?fàn)幍臉酚^,笑對(duì)生活的風(fēng)趣,以及妙語連珠的睿智。我們不應(yīng)該感到悲傷,應(yīng)該笑著送別這個(gè)擁有智慧,更擁有趣味的科學(xué)家,他教會(huì)我們的,遠(yuǎn)比宇宙更多。
(作者單位為美國舊金山州立大學(xué)物理與天文系)