施郁：霍金為何不朽
?斯蒂芬?霍金（1942.1.8-2018-3.14）
撰文 | 施郁 （復旦大學物理學系）
責編 | 李曉明
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斯蒂芬?霍金的科普著作《時間簡史》幽默地介紹，牛頓出生于伽利略去世之年，而霍金出生于伽利略去世日（1942年1月8日，伽利略去世整整300年忌日），擁有牛頓曾經(jīng)擔任過的劍橋大學盧卡遜講席教授之職，被廣泛認為是繼愛因斯坦之后最杰出的理論物理學家。顯然霍金以這些為榮。不知道霍金在彌留之際，有沒有幽默地想起，他去世于愛因斯坦的139歲生日（3月14日）。如果他想到，大概會有點小得意吧。
霍金是經(jīng)過從伽利略到牛頓，再到愛因斯坦幾次升級的引力物理學的杰出傳人。他對廣義相對論和宇宙學作出了巨大的貢獻。雖然很難說霍金是“愛因斯坦之后最杰出的理論物理學家”，但可以說是最杰出的之一。“理論物理”的含義有時并不明確。比如霍金曾經(jīng)作過一個演講，題目是“理論物理的末日是否已經(jīng)到來”，這里的“理論物理”特指廣義相對論與量子力學的統(tǒng)一。如果說他是愛因斯坦之后最著名的科學家，那應該沒問題。
1962年，牛津大學的本科生霍金知道自己只對理論感興趣后，在理論粒子物理和宇宙學之間選擇了后者。因為他覺得粒子物理像植物學，只有粒子，沒有理論，而宇宙學有一個很好的理論（廣義相對論）。這只是反映了他當時作為學生的品位。其實粒子物理當時正在建立標準模型的過程中，“沒有理論”也正是一個機會。不過霍金幸運的是，當時宇宙學和天體物理也正要大發(fā)展。牛津沒有宇宙學家，劍橋有著名的霍伊爾教授。所以霍金申請劍橋，得到有條件的錄取，需要畢業(yè)等第達到一等。結果就是他跟牛津的面試老師說，如果他得到一等，就去劍橋，否則繼續(xù)待在牛津。這種風格后來在霍金的演講和打賭中經(jīng)常表現(xiàn)出來。
20歲的霍金雖然拿到一等畢業(yè)等第來到劍橋，但是并沒有如愿成為霍伊爾的學生，因為霍伊爾有太多學生，又是大忙人，經(jīng)常要去美國的天文臺?；艚鸨环峙浣o他沒有聽說過的西阿瑪講師。這是霍金的幸運。一方面，與名人霍伊爾教授相反，西阿瑪講師總是待在學校，隨時為學生提供各種幫助，讓學生自由成長。還有另一方面的幸運。當時穩(wěn)恒態(tài)宇宙學（認為宇宙一直存在）和大爆炸宇宙學（認為宇宙起源于一次大爆炸）還沒有分出勝負，霍伊爾正是是穩(wěn)恒態(tài)宇宙學的頭面人物，在一次BBC廣播節(jié)目中，他以諷刺的口吻為“大爆炸宇宙學”起了這個名字。而西阿瑪對兩種理論沒有偏好，對大爆炸宇宙學沒有偏見。導師的這種態(tài)度顯然也是很重要的。霍金的這個經(jīng)歷值得年輕學生們參考。
霍金剛過完21歲生日就被診斷出肌肉萎縮性側索硬化癥，又叫運動神經(jīng)細胞癥、盧伽雷氏癥，俗稱漸凍癥。霍金經(jīng)歷了一陣低沉，沉醉于瓦格納的歌劇。后來在父親的建議下，回劍橋繼續(xù)學業(yè)。在劍橋火車站遇到了原來有點認識的簡?瓦爾德。兩人相戀，這給了霍金支撐。
霍金的研究工作也逐漸有了起色。給霍伊爾及其學生的一個理論做修正成為他的第一個工作。當時在倫敦伯貝克學院任教的彭羅斯在很寬泛的條件下證明，引力塌縮中，普遍存在奇點（密度與時空曲率無窮大的點，從而廣義相對論失效）?；艚饘⒋擞玫接钪媾蛎浿?，證明宇宙膨脹開始于一個奇點。這成為他的博士論文的另一部分。
1965年，大爆炸宇宙學基本上已經(jīng)戰(zhàn)勝了穩(wěn)恒態(tài)宇宙學，西阿瑪和他的學生選擇了大爆炸陣營，霍金因為沒有做霍伊爾的學生而慶幸。夏天，霍金博士畢業(yè)，被錄取為李約瑟任院長的劍橋Gonville和Caius學院的研究員（劍橋的一種職位，學院提供薪水，在系里做研究，相當于沒有固定導師的博士后），并與簡結婚，后來有了3個孩子。我在劍橋工作期間，曾經(jīng)去一朋友家作客，得知那套住房曾經(jīng)是新婚的霍金夫婦租住的房子。
霍金在同行中逐步有了名氣。他與彭羅斯證明，在廣義相對論描述的一大類弗里德曼宇宙學模型中，奇點不可避免，所以在經(jīng)典理論中，宇宙大爆炸起源于奇點。然后他轉而研究黑洞?；艚鹱C明愛因斯坦方程的具有平滑視界的定態(tài)解必須是軸對稱的。1970年，霍金提出黑洞視界面積不減定理，也就是說黑洞的視界面積不會減小（視界是指黑洞外的一個邊界，在此之內(nèi)，任何東西都不可能越過到此邊界外）。接著以此為第二定律，與巴丁（James Bardeen）和卡特(Brandon Carter)提出黑洞動力學四定律，表明黑洞視界面積與熱力學熵的類似。霍金還與卡特、以色列（Werner Israel）和羅賓孫（David C. Robinson）在某些前提條件下證明了惠勒（John Wheeler）猜想的“黑洞無發(fā)定理”：黑洞只需要由質量、電荷和轉動角動量描述。這些都是霍金對經(jīng)典引力理論的杰出貢獻。1973年，霍金與同學George Ellis合作出版專著《時空大尺度結構》。
1970年代，霍金走上量子力學與廣義相對論的統(tǒng)一之路。1973年，他天才地將量子力學用于黑洞（經(jīng)典廣義相對論中的概念），證明了黑洞會輻射粒子，即所謂的霍金輻射，因此黑洞質量不斷減小，會導致黑洞蒸發(fā)。這說明黑洞是有溫度的，肯定了貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）提出的黑洞面積與熱力學熵不僅是類似，而確實是正比，而且霍金給出了比例因子1/4。這超越了經(jīng)典引力理論，因為霍金本人前幾年據(jù)此提出來黑洞的視界面積不能減小。
霍金輻射是霍金一生最大的科學成就。因為效應非常小，還不能得到實驗證實，但是到1970年代末就被科學界普遍接受，由此帶來的黑洞信息丟失問題目前還是物理學家爭論的一個熱門話題，也曾經(jīng)是霍金與同行打賭的內(nèi)容?；艚鹨猜暶o起，32歲時成為英國皇家學會會員，1979年又成為牛頓和狄拉克曾經(jīng)擔任過的劍橋大學盧卡遜講座教授。
提出霍金輻射所用的理論叫做彎曲時空的量子場論，其中物質是量子的，但是引力本身仍然是經(jīng)典的。在此之后，霍金進一步向量子引力（引力本身的量子化）和量子宇宙學（用量子力學波函數(shù)描述早期宇宙）進軍。古斯等人提出的宇宙暴脹理論，霍金是研究“新暴漲”的人之一，這種暴漲不通過古斯最初提出的贗真空的隧穿發(fā)生，而是通過標量場勢能降低發(fā)生，并導致量子漲落，成為宇宙結構形成的種子。 霍金又與哈特爾（James Hartle）提出宇宙無邊界條件，聲稱在普朗克時間階段，宇宙時空沒有邊界，因此在宇宙大爆炸之前，沒有時間的概念，所以“宇宙大爆炸之前”的問題沒有意義?；艚鹛岢鰵W幾里得量子引力，用虛時間取代時間，將時空從贗黎曼幾何轉變?yōu)槔杪鼛缀?。他一直到最近還在發(fā)表論文，2016年與Malcolm Perry和Andrew Strominger提出所謂的“黑洞軟毛”。
霍金的科學貢獻超過很多諾貝爾獎得主。但是長期以來，他的理論研究工作沒有得到實驗或者觀測的證實，而獲得諾貝爾獎的研究成果必須有實驗或者觀測的支持。所以霍金一直沒有獲得諾貝爾獎。
但是其實不久之前，這個情況有所改變。2016年2月，美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布，他們于2015年9月14日直接探測到引力波，這個引力波來自兩個黑洞并合成為一個大黑洞。比較并合前后黑洞的總質量可以發(fā)現(xiàn)，大黑洞的質量平方大于原來兩個黑洞的質量的平方的和。而黑洞的視界面積正比于質量的平方。所以這就證實了黑洞并合前后，總視界面積沒有減少。 后來LIGO和位于意大利的引力波天文臺VIRGO又探測到幾次黑洞并合所產(chǎn)生的引力波，結果都與霍金的黑洞面積不減定理一致。去年諾貝爾獎公布前，我曾經(jīng)“預測”（其實是希望）霍金分享2017年物理學諾獎。
廣義地說，也許霍金一生最大的成就是，作為漸凍人，對物理學作出巨大了成就，鼓舞了全世界人民！在他逝世時，他的家人的聲明中強調(diào)了“他的勇氣、堅持、優(yōu)秀和幽默鼓舞了世界各地的人們”！
霍金的一生是偉大的一生。1963年，霍金剛剛被診斷出漸凍癥時，醫(yī)生說他活不過兩三年。但是在這之后，他拿了博士學位、當上皇家科學院院士、擔任劍橋大學盧卡遜講座教授、成為世界著名科學家?；艚鹨跃薮蟮挠職饪朔丝膳碌募膊?，成為一位為人類作出巨大貢獻的科學家?；艚鹪谌ツ甑膽c祝他75歲生日的研討會上說：“記住仰望星空，不要低頭只管腳下。保持好奇心，無論生活似乎多艱難，總有能勝任的事情。”
霍金1985年在瑞士日內(nèi)瓦期間發(fā)生肺炎。這其實與他訪問中國有關，因為肺炎是由在中國期間染上的感冒發(fā)展而來。 手術中氣管被切開，霍金從此完全不能說話。在這之前，醫(yī)生曾經(jīng)問簡是否愿意讓霍金脫離生命支持系統(tǒng)。簡堅決反對。不過后來霍金漸凍癥的發(fā)展停了下來。當時兩人的婚姻已經(jīng)出現(xiàn)了問題，不過直到1995年才正式離婚。同年霍金與照顧他的護士Elaine Mason（他前夫為霍金的輪椅裝上電腦和語音合成器）正式結婚，2006年離婚。簡在1997年正式結婚。她后來說過：“我仍然認為，除了我們的孩子，讓霍金活著是我最大的成就。”
2002年，霍金再次訪華。當時我在霍金所在的劍橋理論物理與應用數(shù)學系工作。我的辦公室在一樓，平時經(jīng)?？吹剿舷掳鄷r經(jīng)過我的窗前。有一陣沒有，我知道他正在訪問中國?；艚鹪谙道锱c其他人一樣正常上班、出席報告會。別人報告之后他會用語音合成器提問。還記得有一次彭羅斯來做報告，會后茶歇時霍金也來了，彭羅斯向他招手示意。筆者也曾經(jīng)幫助推過他的輪椅。
霍金也是一位著名的科學作家和傳播人，他的《時間簡史》是世界上最暢銷的科普著作，后來又寫了另外幾本科普書。雖然他最初寫《時間簡史》的目的很大程度是為了掙錢，以支持巨大的開銷，雖然據(jù)說很多人只是買來放在書架上，筆者仔細逐字逐句讀過英文原版，覺得寫得很好?；艚鸬臍埣才c他所思考的浩瀚宇宙成為鮮明對比。坐在帶有語音發(fā)生器的輪椅上的霍金和談論宇宙奧秘的合成聲音，已經(jīng)成為一個眾人熟悉的文化景觀?；艚鸪蔀楫敶澜绲囊粋€科學偶像，在他所到之處，無數(shù)“粉絲“追捧。他也對國際上很多公共事務、對人類的未來表達自己的看法。
霍金的科學工作的主線很像一首交響樂的主旋律。黑洞和宇宙定下了基調(diào)，經(jīng)典的廣義相對論與量子力學交織，產(chǎn)生各種變奏。而作為一個“無助”的漸凍人，卻能深入窺視宇宙的奧秘。這讓我們感受到人類在宇宙中的意義。
2002年，霍金在為他的60歲生日舉辦的研討會上表示，希望將霍金輻射的公式刻在他的墓碑上?；艚鸬玫降幕艚疠椛錅囟确幢扔诤诙促|量，系數(shù)由光速、萬有引力常數(shù)和普朗克常數(shù)組成。可以由此得到貝肯斯坦-霍金黑洞熵公式，表明黑洞熵正比于視界面積，系數(shù)除了1/4外，是玻爾茲曼常數(shù)除以普朗克長度的平方，普朗克長度由光速、萬有引力常數(shù)和普朗克常數(shù)組成。張首晟教授在微信朋友圈指出黑洞熵公式統(tǒng)一了這三個基本常數(shù)。萬有引力常數(shù)代表引力，普朗克常數(shù)代表量子效應，普朗克長度代表引力的量子效應。這讓人聯(lián)想到早期量子論發(fā)展期間，普朗克和愛因斯坦提出光量子能量正比于頻率，正比系數(shù)是普朗克常數(shù)。我們還沒有一個成功的量子引力理論，今天的各種量子引力理論也許不能存活下去，但是可以預見，霍金輻射溫度公式和黑洞熵公式反而會存活下去，正如光量子能量公式在量子力學中仍然是正確的。所以很多年以后，霍金的名字仍然會被記住?；艚饡粫虼吮粠装倌旰蟮奈锢韺W家當作繼愛因斯坦之后到2018年期間最杰出的理論物理學家呢？
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