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霍金去世,他的思想在宇宙中回荡

将自己最好的时光花在探寻黑洞和宇宙源起,霍金并不惧怕黑暗。

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剑桥大学物理学家、畅销书作家史蒂芬·霍金(Stephen W. Hawking)周三早上在位于英国剑桥的家中去世,享年 76 岁。他坐在轮椅上徜徉宇宙,探索自然的本质和宇宙的起源,是人类意志和好奇心的象征。

剑桥大学一位发言人确认了霍金的离世。

“爱因斯坦之后,再也没有一位科学家像霍金这样能够激发大众的想象力,并为全世界数以千万的人所喜爱。”纽约城市大学理论物理学教授加来道雄在接受采访时这样说。

霍金博士的知名很大程度上来自他 1988 年出版的著作《时间简史:从大爆炸到黑洞》(A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes)。这本书已经售出超过 1000 万份,也启发了导演艾洛·莫里斯(Errol Morris)为霍金的生平拍摄了一部纪录片。2014 年的剧情片《万物理论》(The Theory of Everything)同样讲述了霍金的故事,并获得多项奥斯卡提名。(片中扮演霍金的埃迪·雷德梅尼[Eddie Redmayne]获得奥斯卡最佳男演员奖。)

从科学的角度看,霍金最值得被铭记的发现有点令人费解,大概可以用一句富有禅意的句子描述:黑洞何时不再是黑的?当它爆炸之时。

同样令人折服的是他的职业生涯。1963 年研究生毕业那年他罹患肌萎缩侧索硬化症,也被称为渐冻症。当时他只剩下几年的寿命。

这种疾病使他丧失对身体的控制,从弯曲手指到转动眼球,但并没有对他的智力造成影响。

他继续研究,并成为探索黑洞重力和性质领域同辈中的佼佼者。黑洞引力强大而致密,即使光线也无法逃脱。

他的研究成果成为现代物理学的转折点,1973 年的最后几个月,霍金着手将量子理论,那个用于支配亚原子现实的奇怪法则应用于黑洞。经过漫长艰难的计算,霍金发现——宇宙末日的化身和象征——并不是真的黑色的。事实上,霍金发现黑洞最终会坍缩,释放出辐射和粒子,最终爆炸并永远消失。

起初没人相信粒子会从黑洞中逃离,包括霍金自己。“我们根本没有刻意寻找它们”,1978 年的一次采访中他回忆到,“我只是碰巧遇到了。这让我很恼火。”

题目为《黑洞爆炸?》(Black Hole Explosions?)的论文在 1974 年出版的《自然》杂志中刊登,这一发现被科学家誉为奇点理论的首个重大里程碑——将引力和量子力学联系起来,来解释那个看起来比任何人想象中都要陌生的宇宙。

众所周知的是,霍金辐射的发现颠覆了人们对黑洞的认知,把它从毁灭者变为创造者——至少是回收者——这将完成终极理论的梦想引向了一个奇怪的新方向

“你可以问,如果一个人跳进黑洞会发生什么。“霍金在 1978 年的一次采访中说道,“我肯定不觉得他会活下来。”

他补充说,“但另一方面,如果我们派人跳进黑洞。这个人或者组成他的原子都不会回来,但他的质能会回来。也许这适用于整个宇宙。”

霍金在剑桥的论文导师、宇宙学家丹尼斯·夏尔玛(Dennis W. Sciama)称霍金发表于《自然》杂志的论文是“物理学历史上最优美的论文。”

普林斯顿高等研究院理论物理学家爱德华·威滕(Edward Witten)表示:“试图更好地理解霍金的发现在过去近 40 年都是带来新鲜思考的源泉,我们距离完全理解它还有很远。它还是让人觉得新鲜。”

2002 年,霍金说自己希望将霍金辐射的方程刻在自己的墓碑上。

他作为一个知识分子挑战生活极限,在专业研究和个人生活中同样也是。他在全球各地参加科学会议,前往包括南极洲在内的各大洲旅行;写和自己工作相关的畅销书;结了两次婚;生育三个孩子;还在《辛普森一家》《星际迷航:下一代》(Star Trek: The Next Generation)以及《生活大爆炸》等等娱乐作品中表现的平易近人。

60 岁生日,他乘坐热气球来庆祝。在同一周,他的电动轮椅还在剑桥大学里出了一起小事故,导致他摔断了腿。

2007 年 4 月,在 65 岁生日刚刚过去几个月时,他乘坐一架特殊的波音 727 飞机体验了零重力飞行。这种飞机以特殊轨迹爬升并后俯冲,以在大气层内模拟短暂的失重体验。这也是为之后真正的太空旅行作准备:他与维珍银河的老板理查德·布兰森有个约定,计划乘坐正在建造的“太空船 2 号”亚轨道飞行器旅行。

当被问到为什么会冒这样的风险时,霍金博士说:“我想证明,只要内心健全,人不需要被身体上的障碍限制住。”

他的精神令人敬畏。

“他的人生如此成功。”与霍金博士长期共事的剑桥大学宇宙学家,皇家天文学家马丁·芮斯说:“他在科学史上留名;他的畅销著作扩大了数百万人的宇宙视野;而且,全世界都被这个独一无二的、挑战所有预期的人激励,这体现了一种惊人的意志力和决心。”

2007 年,霍金 65 岁时,乘坐一架特殊的波音 727 飞机体验了零重力飞行。

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史蒂芬·威廉·霍金于 1942 年 1 月 8 日出生于英国牛津。如他经常谈起的,那天是重力学研究的开创者伽利略逝世三百周年的日子。霍金的母亲是伊莎贝尔·霍金,本姓是沃克(Isobel Walker),在伦敦闪电战期间为躲避夜间轰炸去了牛津。霍金的父亲弗兰克·霍金是一位杰出的生物学家。

史蒂芬是家中四个孩子的长子,在伦敦斯伦敦圣奥尔本斯学校就读时,史蒂芬是一名平庸的学生,尽管他的才华被一些同学和老师所认可。

后来,在牛津大学学院就读时,他发现对他来说数学与物理的学习都很容易,他很少需要查阅书籍或者记笔记。在那三年的时间里,他预计只需要学习一千个小时,也就是每天一小时。“没什么值得努力的事情。”他说。

唯一令他觉得兴奋的是宇宙学。因为宇宙学处理的是一个大问题:整个宇宙从何而来?

毕业后,他搬到了剑桥。然而,在他开始研究之前,他的导师夏尔玛博士突然来到,带来“那件可怕的事”。

年轻的霍金几年来一直经历偶发的虚弱,常常会摔倒。1963 年,在他 21 岁生日后不久,医生告诉霍金他患有肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis)。医生宣告他只剩下不到三年的寿命。

霍金的第一反应是严重的抑郁症。他梦想有天会被处决,他说。但是,他的病情发展比医生预期得慢,反而渐趋稳定。虽然他对肌肉的控制仍然在缓慢流失,他仍然能够短距离行走,尽管很费力,他还能做穿衣、脱衣这种简单的动作。

他感受到了新的目标。

“当你面临早亡的可能性时,”他回忆道,“这让你意识到生命值得活着,你想做的事情还有很多。”

1965 年,他与语言学学生简·韦尔德(Jane Wilde)结婚。现在,用他自己的说法,他不仅需要“为生存而活着”。他还需要找到一份工作,一份能够激励他为博士学位而努力的工作。

他的疾病让他没法写下长串的数学公式,而那是宇宙学家们用以研究宇宙的工具。很明显,他将生理上的缺陷转化成了力量,为他大胆的思维收集能量。在他晚年的时候,他常常将这些思考交给旁人,用适当的数学语言编纂。

“人们常常误以为数学只是方程式。”霍金博士说,“实际上,方程式只是数学里无聊的部分。”

不可避免地,他要采用几何技术,专注于那些需要用“图画和图表”解决的问题。这些技术在数学家罗杰·彭罗斯以及他的剑桥同事布兰登·卡特在1960 年代初用于研究广义相对论——爱因斯坦的重力理论。

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广义相对论预言了黑洞的存在,解释了物质与能量如何“扭曲”空间,如同沉睡的人使得床垫下陷。光线穿过强引力场时会发生弯曲,就像弹珠在下陷的床垫上滚过时会沿着沉睡者四周的弧线行进。

过多物质或能量集中在一个点上会导致空间无限下陷;如果某个物体的密度够大,比如一个巨大的坍缩星,可能会吸引周围的空间包裹自身,就像一个魔术师那样用斗篷罩住自己然后消失,最后收缩成一个密度无限大的点,“奇点”。这是宇宙中的一个死胡同,物理学中一切已知法则对它都不适用——它就是黑洞。

提出这个可能性时,爱因斯坦自己都觉得很荒谬。

不过,借助哈勃太空望远镜及其它可用于观察和分析的精密仪器,天文学家已经找到数百个过大过黑、只可能被定义为黑洞的物体,这其中也包括银河中心的超大质量黑洞。根据现有理论,宇宙中可能还有数十亿这样的黑洞。

1966 年,霍金在其博士论文中提出,如果你将整个不断扩张的宇宙倒带,必然会发现一个在宇宙历史上存在过的奇点。也就是说,空间和时间,一定有过一个开始。他与罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)博士等人合作,发表了一系列关于黑洞运行方式的定理,以及任何一个被其捕捉的物体的宿命。

霍金这项标志性的理论突破,其实源于他和普林斯顿毕业生、以色列理论物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)的一场争论:黑洞是否有熵(一种度量体系混乱程度的热力学指标)?贝肯斯坦认为它们有熵,指出霍金及同事们针对黑洞推演出的定理,与热力学定理有很高的相似度。

但霍金否认了这种看法:要有熵,黑洞就得有温度;但有温度的物体——无论是一个人的额头还是一颗星星——一定会依照各自温度的不同向外发出电磁辐射。没什么能逃离黑洞,因此其温度一定为零。“我听了贝肯斯坦的话很是沮丧。”霍金回忆说。

为了解决这个问题,霍金决定着手研究原子大小的黑洞的属性,不过这需要把量子力学这种针对原子及亚原子世界的理论与引力放在一起研究,两者一小一大相互矛盾,此前还没有人突破过。朋友们不停翻阅着量子理论课本,而霍金则数个月都坐在那儿一动不动地盯着它看。他们想,这个人终于被难住了。

当霍金在脑中完成计算后,他惊讶地发现黑洞会不断喷出粒子和辐射。他意识到这些辐射的热线谱与任何一个有温度的物体发出的热量近似,开始相信自己算对了。贝肯斯坦是正确的。

霍金甚至找到一种方法来解释粒子如何能够逃离黑洞。根据量子原理,黑洞附近的空间会充满“虚拟”粒子,它们以粒子和反粒子的形式成对生成——就像电子和正电子那样——能量来自于黑洞的强引力场。

相遇后,它们因能量碰撞会彼此摧毁,为短暂的存在付出代价。但如果其中一方落入黑洞,另一方就能自由行动,成为真正的粒子。它看上去正来自于黑洞,并且从中吸收能量。

他谨慎地说,这些只是语言,而真相存于数学。

“关于霍金辐射最重要的一点是,它表明黑洞并不是与宇宙其它部分割裂的存在。”霍金说道。

这还意味着黑洞有温度、有熵。在热力学中,熵用来测定不能做功的热量。但它同样也是一种衡量信息量的单位(比特数量),用来解释黑洞里有什么。但这里的比特数指的是黑洞的表面积,而不是它的体积。这意味着你能放进黑洞的信息受限于它的面积而不是一般认为的体积。

这一结论已经是弦理论和其它量子重力轮的试纸。它还导向了关于我们生存于一个全息宇宙的猜想——三维空间只是一种幻觉。

哈佛弦理论学家安德鲁·斯特罗明格(Andrew Strominger)说全息宇宙理论“如果是真的,将是关于我们宇宙的一个深刻而美丽的解释——但不是一个显见的。”

黑洞辐射的发现也引发了长达 30 年的争议:掉进黑洞的物质究竟有怎样的命运?

霍金一开始说,任何掉进黑洞的物质的具体信息将永久消失,因为黑洞发射的微粒是完全随机的,物质在掉进黑洞时所呈现的特征都将被抹去。套用爱因斯坦对量子力学所固有的随机性假设的批评,霍金说:“上帝不仅和宇宙玩掷骰子的游戏,有时还把骰子扔到我们看不见的地方。”

许多粒子物理学家反驳称,这种讲法违背了量子物理学的原则:知识总会被保存下来,并可以恢复。斯坦福大学的物理学家伦纳德·索斯金德(Leonard Susskind)坚持这一论断已有数十年。他说:“斯蒂芬明白,如果他的讲法属实,20 世纪物理学的大部分理论进展都会土崩瓦解。”

索斯金德曾在另一个场合当着霍金的面形容说,他是“世界上最倔强的人之一;不,他是宇宙中最惹人恼火的人。”听罢,霍金露齿而笑。

2004 年,霍金认输。一旦黑洞爆炸,所有掉进黑洞的信息都会回来。霍金遗憾地发现,这一结论意味着人们不可能借助黑洞逃往另一个宇宙。“我很抱歉,让科幻迷们失望了。”他说。

尽管霍金作出了让步,众所周知的是,黑洞的信息佯谬(information paradox)已经成为理论物理学讨论最热烈、也最深刻的话题之一。物理学家依然没有搞清楚,信息究竟是如何进入或离开黑洞的。

加州大学伯克利分校的物理学家拉斐尔·布索(Raphael Bousso)曾师从霍金。他说,随着当前学术辩论的展开,他对霍金的物理学发现的“重大程度”的评估又上升了“几个刻度”。

霍金与第二任妻子 Elaine Mason

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1974 年霍金获选为伦敦皇家学会的会员,皇家学会是世界上历史最长而又从未中断过的科学学会。1982 年,他又获得剑桥大学卢卡斯数学教授席位,这是剑桥大学的一个荣誉职位,同一时间只授予一人,曾经艾萨克牛顿也担任过这一职位,“他们说这是牛顿的椅子,但很显然现在已经不是了,” 霍金喜欢这样调侃。

霍金每年都会去加州帕萨迪纳的加州理工学院,这里是他的第二个家。2008 年,他加入了加拿大滑铁卢的圆周理论物理研究所,成为了一位访问研究员。

霍金在战胜了黑洞问题后,就把自己的目光投向了宇宙起源,并从宇宙学模型角度试图消除最初的奇点(大爆炸一瞬间前的那一点称为“奇点”)。如果物理定律在奇点失效,那在别的地方也可能失效。

1982 年在梵蒂冈的一次会议上,霍金建议在最终的理论中,物理定律不应该在任何地点或者时间失效,即使是最宇宙之初,霍金把这一概念称之为“无边界条件。”

加州圣巴巴拉理论物理研究所的詹姆斯·哈图(James Hartle)博士认为,霍金将宇宙的历史想象成地球一样的球体。宇宙时间对应地球纬度,从北极点的 0 度开始向南边展开。

虽然时间从北极开始,但北极并没有什么特别之处,在那里适用的物理定律与其他地方也一样。当被问到在大爆炸发生之前发生的事情时,霍金博士回答说这就像是在问北极北边的一英里一样,那里不指代任何地方,也不指代任何时间。

当时弦理论声称能将引力、其它作用力和自然界的基本粒子解释为微观震动的弦,就像小提琴上的音符一样,这是“万有理论”的主要候选者。

在《时间简史》中,霍金博士总结道,“如果我们真的发现了一个完整的宇宙理论,每个人都应该能在大原则上理解它,而不仅仅是少数科学家才能理解。”他补充说,“到时候我们所有人,哲学家,科学家和普通人都可以参与讨论我们和宇宙存在的原因。”

“如果我们找到这个问题的答案,”他说,“这将是人类理性的终极胜利,因为那样我们就会知道上帝的想法。”

直到 1974 年,霍金博士还是可以自己进食、上下床。在简的坚持下,他每晚都坚持用手一点一点,将自己拉上楼梯,到他剑桥家中的卧室里去,这样的训练可以锻炼他剩余的肌肉张力。但 1980 年以后,这些就是由护理人员来做了。

1985 年以前,霍金博士还是能够说一些话的。但一次去瑞士旅行的途中,他得了肺炎。医生问简是否需要关掉他的生命支持系统,她拒绝了。为了挽救他的生命,医生插入了一个呼吸管。他活了下来,但他永远不能发声了。

有一段时间,他只能通过指着字母表上的单个字母来进行交流。后来计算机专家沃尔特·沃尔托斯(Walter Woltosz)听说了霍金博士的病情,于是给了他一个他编写的名为均衡器(Equalizer)的程序。通过他还能够活动的手指点击一个按钮,霍金博士就能够浏览包含所有字母和 2500 多个单词的菜单。

他可以在电脑屏幕上一个词一个词地写出句子,有时候甚至是一个字母一个字母,然后再把这些句子发送给语音合成器。整个装置都安装在他的电动轮椅上。

即使是虚弱到无法移动手指的时候,他也还可以通过红外线和计算机与外界进行交流,他的右脸颊动一下或者眨个眼睛就能激活这个交流系统。后来该系统进一步完善,允许他在办公室内自己开关门,在没有他人援助的情况下,他也可以自己使用电话和互联网了。

虽然他平均每分钟说不到 15 个单词,但霍金博士发现,他通过电脑讲话比失声以前“讲”得更好了。他唯一的抱怨是,加州制造的语音合成器给了他一个美国口音。

他说,他之所以决定写《时间简史》(A Brief History of Time),是因为他渴望与“为研究买单的公众”分享他对“已作出的宇宙发现”的兴奋。他想让这些想法变得触手可及,连机场都能买到这本书。

他还希望挣到足够的钱来支付他孩子们的教育费用。他做到了。这本书的巨大成功使他变得富有,甚至更出名,成为了世界各地残疾人士心中的英雄。

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这些年里,新闻媒体关注着霍金的一举一动,跟着他拜访白宫、见达拉斯牛仔队的拉拉队员,报道他的各种观点,从国家医保体系(英国的社会化医疗体系维持着他的生命)到与地外物种联系(可能不是个好主意,他这么说道),仿佛他随时都能带来神谕。

当被 New Scientist 杂志问道他思考什么最多。霍金说“女性,她们完全是个谜。”

1990 年,霍金和他妻子结束了 25 年的婚姻。简·霍金将这段日子写成了两本书,《移动星星的音乐:与史蒂芬·霍金生活》(Music to Move the Stars: A Life With Stephen Hawking)、《通向永恒:我与霍金的生活》 (Traveling to Infinity: My Life With Stephen)。后一本被改编成 2014 年的电影《万物理论》。

1995 年,霍金和自他犯肺炎就照料自己的护士伊莱恩·梅森(Elaine Mason)结婚。伊莱恩·梅森的前夫大卫·梅森(David Mason)帮霍金在轮椅上安装了发声器。

2004 年,英国报业报道称剑桥警局在调查伊莱恩虐待霍金的指控,但没有提起诉讼。霍金本人也否认了这些指控。两人在 2006 年离婚

霍金遗孤的完整名单还没有公布。但当地时间周三早上,他的孩子罗伯特、露西、蒂姆发布了一份声明:

“父亲今日逝世让我们万分悲痛。他是一位伟大的科学家和一位卓越的人,他的研究与作品将延续许久。他的勇气、坚韧、聪明、幽默鼓舞了全球各地的人们。他曾经说过‘若不是因为你所爱之人居住其中,这个宇宙没什么大不了的’。我们永远想念他。”

霍金有诸多荣誉。他在 1982 年被授予英帝国司令勋章(CBE)。他是 2012 年伦敦残奥会开幕式的主角。唯一缺的就是诺贝尔奖了,对此他也有一个标志性的含蓄说法:“诺贝尔只颁给已经被观测所证实的理论研究。我研究的东西实在是太过难以观测了。”

霍金是太空探索的积极呼吁者,称这是人类长存的必须。“地球上的生命所面对的灭绝性危险越来越大,比如突发全球核战争、基因改造的病毒或者一些我们根本想都没有想到的危险。”2007 年他在香港对在场听众说道。

不过再没有其他观点像他对于宗教的否定那样惹来众怒。特别是霍金建议说没有必要寻找宇宙以外的事物,比如上帝来解释一切是怎么开始的。

在《时间简史》中,霍金曾提到“上帝的意志”,但在 2011 年他与 Leonard Mlodinow 合著的《大设计》(The Grand Design)中,他对宗教的评论更为直接:“没必要借助上帝来为宇宙按下启动键。”

那一年他在接受《卫报》采访时说道,“我将大脑视为一台部件坏掉就会停止工作的电脑。没有天堂和来世等着坏掉的电脑,这只是说给怕黑的人听的童话故事。”

将自己最好的时光花在探寻黑洞和宇宙毁灭,霍金并不惧怕黑暗。

“它们被称为黑洞是因为人类对于毁灭和被吞噬的恐惧。”霍金对一位采访者说,“我不怕被吸进去。我理解它们。某种程度上说,我觉得我是它们的主人。”


翻译:周韶宏、马若飞、唐云路、刘璐天、蔡一能、温欣语、王穗、黄俊杰

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