霍金：一生仰望星空

文 / 喬輝

▲霍金漫畫像

2018年3月14日，自愛因斯坦以來最有名氣的物理學家斯蒂芬·威廉·霍金在劍橋大學的家中安詳去世，享年76歲。

霍金1942年1月8日出生于牛津，父親是畢業于牛津大學的熱帶病專家，母親也畢業于牛津大學，研究哲學、政治和經濟。

霍金出生這天正好是現代物理學的始祖——伽利略逝世300年的忌日。當然，他并沒有把這種巧合當成某種奇跡，他曾經說：“我估計那一天還有其他20萬個嬰兒出生。”也許又是一次歷史巧合，3月14日又恰好是愛因斯坦的誕辰，不知道霍金在天有何感想。

求學經歷

霍金在17歲的時候進入了牛津大學，父親希望他學醫，因為學醫工作機會更多一些，但霍金卻對數學和物理充滿熱情，最終以物理作為自己的專業。本科畢業后，他拿到了一等學位證進入劍橋大學深造。

在理論物理學中，有兩個最基本的方向：一個是研究微觀領域的粒子物理學，另一個是研究宏觀領域的宇宙學。當年，霍金覺得粒子物理學更像是給各種粒子分類，沒有一個統一的理論指導（當年還沒有粒子物理標準模型）；而宇宙學中，有現成的廣義相對論，于是他選擇了后者作為自己的研究方向。

在劍橋大學，有一位世界最著名的天文學家福雷德·霍伊爾。霍金當時也是奔著霍伊爾去的，但未能如愿以償。他的導師被指定為物理學家席艾瑪。事實證明，席艾瑪的帶學生風格更適合霍金。20世紀60年代和70年代初，他的大部分精力都是用來為他的學生營造一個理想的成長環境，把個人的研究放在了第二位，獲得的獎勵和榮譽更多的是他的學生，這樣的導師更符合蠟燭的精神：燃燒自己，照亮別人。除霍金外，席艾瑪還培養了諸如馬丁·里斯這樣的一大批世界頂級的天體物理學家和宇宙學家。

重要科學貢獻

奇性定理

1916年，在愛因斯坦廣義相對論剛剛提出后，德國數學家、天文學家史瓦西就得到了愛因斯坦場方程的第一個嚴格解，即史瓦西外部解或史瓦西度規，也就是數學意義上的黑洞。

然而，現實中是否存在黑洞呢？當時科學界是存在很大爭議的。

1939年，美國“原子彈之父”奧本海默及其合作者研究了完全球對稱、密度均勻，沒有旋轉，沒有壓力的理想恒星的坍縮過程。在這種完全理想的前提下，恒星的質量大到一定程度，黑洞的形成是不可避免的，從而形成與外界宇宙隔離的視界（Horizon）。那么，黑洞中心會形成什么呢？奧本海默并沒有給出任何解釋。但他的方程卻暗示著，在黑洞的中心會形成體積無限小、密度無限大的奇點（Singularity）。

然而，奧本海默的模型太簡單了，現實中恒星多少都有旋轉，不可能完全不受干擾保持完美球對稱。因此，任何非完美的恒星在坍縮的過程中，存在發生反彈的可能性，不會在中心形成奇點。關于這一點，蘇聯物理學家栗弗席茲曾給出過證明。

1964年，英國數學物理學家彭羅斯利用拓撲學的方法證明，無論有什么干擾，在坍縮黑洞的中心會不可避免地形成奇點，1970年，霍金和彭羅斯證明了，在廣義相對論的框架下，我們的宇宙在大爆炸的開端也有一個時空奇點，如果有一天再發生坍縮，必然在大擠壓中再次形成奇點。這就是著名的奇性定理。

▲ 1970年，霍金和彭羅斯證明，我們的宇宙在大爆炸的開端有一個時空奇點

霍金輻射

在大家心目中，黑洞是那種只吃不吐的引力怪物。沒有任何東西能夠逃脫黑洞的束縛，包括光線。上面的認識都是基于經典的廣義相對論，當考慮到量子場論效應時，頭腦中的觀念就要發生改變了。

▲霍金輻射示意圖

真空并不是完全的空，而是充滿了起伏不定的量子漲落，各種正、反虛粒子對不斷產生和湮滅。黑洞視界附近是一個危險的區域，通常那里潮汐力很強，會把“虛粒子對”拉開一定距離，當“虛粒子對”得到足夠多的能量時，就會轉化為真實存在的實粒子，當處于視界外的粒子飛走時，就帶走了黑洞的能量，也是帶走了黑洞的質量。這樣，黑洞質量就會逐漸變小，該過程又稱為“黑洞蒸發”。

另一個等價的圖景：一個虛粒子帶正能量、一個帶負能量，負能量的粒子更容易被黑洞吞噬，留下正能量的粒子逃離黑洞，從而帶走能量和質量，黑洞因吞噬了負能量粒子而損失了能量和質量。這也是霍金在《時間簡史》中描繪的圖景。

根據霍金輻射的計算公式，黑洞的溫度與質量成反比，通常黑洞的溫度都是非常低的。太陽質量的黑洞，溫度只有60納開，這樣的黑洞從宇宙背景輻射吸收的能量要大于因輻射損失的能量，因此永遠不會蒸發掉。

理論上，月球質量的黑洞，其溫度和宇宙背景輻射的溫度相當，恰好能做到收支平衡。因此，可以想象，小質量的黑洞溫度會更高。如果粒子對撞機能產生黑洞的話，那么會因霍金輻射而瞬間蒸發掉的，因此無需擔心那樣小的黑洞吞噬地球。

有理論推測，在宇宙大爆炸初期，會形成小質量的原初黑洞（Primordial black holes），這些小黑洞溫度很高，壽命相對較短，會釋放出高能伽馬射線。如果能探測到這種伽馬射線，就能驗證霍金輻射的存在。然而，到目前為止，還沒有得到令人信服的觀測證據，因此霍金也一直沒能獲得諾貝爾獎。

黑洞面積定理

1971年，霍金理論發現，當黑洞發生碰撞合并時，新形成黑洞的視界面積不能小于合并前黑洞視界面積之和。

▲2015年及其隨后幾次黑洞合并事件都驗證了黑洞面積定理的正確性

2015年9月14日，物理學家首次探測到來自14億光年外兩個黑洞碰撞產生的引力波，兩個黑洞的初始質量分別為29個太陽質量和36個太陽質量，合并形成黑洞的質量為62個太陽質量，損失的3個太陽質量以引力波的形式釋放到宇宙空間。

根據廣義相對論，黑洞的視界半徑與質量成正比，因此黑洞的視界面積與質量的平方成正比。簡單的計算就會發現，合并形成的黑洞的視界面積大于合并之前兩個黑洞視界面積之和。后續的幾次黑洞合并事件，也都沒違反黑洞面積定理。該定理為黑洞合并產生引力波的效率設定了上限。

曾經有人預測，霍金會因這項工作榮獲諾貝爾獎，但最近一次諾貝爾物理獎仍與他無緣。

無邊界宇宙模型

1981年，霍金在梵蒂岡召開的一次學術會上提出一個猜想：宇宙沒有邊界，也沒有開始和結束。1983年，他與吉姆·哈特利用量子力學和廣義相對論嚴格論證了他的這個猜想。他們認為，在宇宙大爆炸之前，時間是不存在的，談論宇宙何時開始沒有意義。宇宙大爆炸經典模型中的“奇點”被像北極那樣的點代替。雖然人們抵達北極后再也無法繼續往北前進，但那里并不存在真正的邊界。

科普成就

1982年，霍金首次打算寫一本有關宇宙方面的科普讀物，有部分原因是為女兒掙一部分學費，主要還是為了向大眾普及宇宙學方面的最新進展。經過幾年的努力，經歷了很多曲折，1988年4月《時間簡史》首先在美國出版，首次印刷了4萬冊，很快就供不應求。出版社趕緊加印，據說夏天還沒過完，在美國就賣出了50萬冊。當年6月，開始在英國出版，幾天之內，在倫敦被搶購一空，高居暢銷書排行榜首位。

在隨后的這些年，《時間簡史》被翻譯成不下40種文字，全球的累計銷量早已超過1000萬冊。

霍金曾說：“一本科學方面的書籍能和明星的回憶錄競爭，也許這樣人類才有希望。我很高興這本書能為一般大眾所接受，而不僅僅是學者。當今時代，科學起了巨大的作用，所以我們每個人對于科學是什么都應該有一些概念，這是非常重要的。”

除了《時間簡史》之外，霍金還寫了大量的科普書籍向公眾進行科學宣傳，如《時空本性》《果殼中的宇宙》以及《大設計》等。

▲2007年4月，霍金在飛機上體驗零重力漂浮

太空夢想

2007年4月26日，霍金搭乘“零重力”（ZERO-G）公司的飛機在大西洋上空進行了失重體驗。

醫護人員將霍金扶到飛機的前排，讓他背靠一塊特殊的泡沫枕墊。然后，飛機上沖到萬米高空，再急速俯沖回距離地面7000米處，使霍金和其他乘客體驗一次25秒的失重狀態。霍金這次探險，共完成了8次俯沖，累計3分20秒的失重狀態。

飛行前，霍金在接受記者采訪時說：“你可以想象，我非常興奮，在輪椅上呆了差不多40年，現在能夠體驗零重力飛行真是太好了。”

2014年霍金在與國際空間站航天員對話時說：“2007年，我有幸搭乘‘零重力 ’航班體驗了失重飛行，對我來說那才是真正的自由。熟悉我的人都說從未看到過我如此燦爛的笑容，在那短暫的幾分鐘里，我是超人。像你們這樣能當6個月的超人，我只能想象了。”

2015年7月20日（阿波羅登月紀念日），俄羅斯投資人尤里·米爾納向公眾宣布“突破聆聽計劃”（Breakthrough Listen），旨在通過全球頂級的射電和光學望遠鏡發現外星人存在的信號。該計劃還有一封由著名科學家簽名的公開信，包括霍金。霍金說：“宇宙中，一定存在其他生命，現在是尋找答案的時候了，沒有比這更重要的事情。”

2016年4月12日，尤里·米爾納又宣布了“突破攝星計劃”（Breakthrough Starshot）。霍金親臨現場為該計劃站臺助威。

▲“突破攝星”計劃的光帆飛行器需要強勁的地面激光陣列供能

▲2016年4月12日，霍金親臨現場為“突破攝星”計劃站臺

▲2006年6月18日，霍金來到天壇祈年殿前靜靜的坐在輪椅上與天地對話

該計劃設想在地面上建設激光陣列，然后利用激光產生的光壓推動極薄、極輕的光帆高速前進，在200萬公里的距離上完成加速過程，并使光帆的速度達到光速的20%！以這樣的高速奔向最近的半人馬座阿爾法恒星系統（4.3光年）僅需20多年。

光帆攜帶一個厘米大小的芯片，小小的芯片上面集成有核電池、微處理器、導航系統、通信系統、以及高清相機等等，真可謂是“麻雀雖小，五臟俱全”，是一枚真正的探測器。為了節約加速能量，光帆和芯片的質量限制在克量級。光帆和微芯片的組合體可以成群地運行在地球軌道上，等待激光陣列的加速一個個奔向深空。

當然，這個激進的設想給當前人類的科技水平提出了很大的挑戰！激光器的連續輸出功率要求為100吉瓦（1億千瓦），相當于五個三峽水電站的輸出功率。這樣強大的激光對光帆來說簡直是噩夢，在承受極大光壓的同時，還要承受極高的溫度。抵達目標后，微芯片探測器想要把信息發回4.3光年之遙的地球并接收難度極大，因為芯片的發射功率實在有限。

我們知道，霍金為人類的命運操碎了心，他一直鼓勵像這種前瞻性的研究，鼓勵人類探索宇宙的嘗試。但愿該計劃進展順利，讓我們這代人有機會目睹奇跡的發生吧。

霍金的一生是與病魔抗爭的一生，是仰望星空的一生。借他2006年接受央視采訪時說過的一段話作為本文的結束：“雖然我的身體條件有限，但我的思想能夠自由探索宇宙，回到時間的起點和深入黑洞當中，人類的探索精神無極限。”

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霍金的三次中國之旅

1985年，霍金分別在中國科學技術大學和北京師范大學做了科學演講。那次，他首次登上了長城，成為了他一生難忘的旅途記憶。

2002年，霍金再次到北京參加國際數學家大會，并再次登上長城。

2006年，霍金第三次到北京參加國際弦論大會，并在人民大會堂作了次“宇宙的起源”為題的公開演講。