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光谱

发布于 3月15日

高级主笔@PingWest US team,报道科技、生活方式、游戏、娱乐。新闻线索请加微信 lichtspektrum 并适当表明身份。

《霍金简史》

2006 年,史蒂芬·霍金 (Stephen William Hawking) 访问香港科技大学。一位名叫郑邵斌的瘫痪患者向霍金提问 ,对安乐死合法化怎样看,像他们这样的人,是否应该享有安静无痛苦地结束自己生命的权利。

提问者和回答者同在现场,坐在各自的轮椅上。

郑邵斌大学毕业那年摔伤,致颈椎断裂,颈部以下瘫痪,无法说话。霍金罹患肌萎缩性脊髓侧索硬化症,也即俗称的“渐冻人症”(ALS)。这是一种目前没有有效治疗方法的绝症,会导致患者呼吸衰竭,通常从发病到死亡只有三四年的时间。

郑邵斌的提问,把霍金拉回了 1985 年。

1985 年,霍金拜访欧洲核子研究组织时肺部感染,病倒在了瑞士。当时,渐冻人症摧残霍金身体已经超过了 20 年,而这场肺炎对于身体极度羸弱的他雪上加霜。很快,霍金被宣布病危。

主治医生询问他的妻子珍,是否愿意拔管结束折磨。那几个星期是霍金人生中最黑暗的时期,珍做出了继续治疗的决定,而气管切开手术使霍金彻底失去了发声能力。此后,他不得不采用计算机驱动的语音合成器来进行表达和沟通。

霍金告诉郑邵斌,他有自由选择结束自己的生命,但“结束生命将会是一个很大的错误。无论命运有多糟糕,人总应该有所作为。有生命,就有希望。”

这句话绝非演讲无数的他从记忆中提取的鸡汤金句,而是自己毕生的精炼所得。

他研究生考进了剑桥,虽然学的仍然是和理论天文物理,却没能进入理论天文研究所,投身自己崇拜的导师名下,而是被分到了三一学院,师从丹尼斯·夏玛 (Dennis Sciama)。霍金在 1963 年被诊断出渐冻人症,医生告知他只能再活不到三年,更让他在生活和学术上双双失去信心。他甚至曾经梦到过自己被人处决。

谁知两年过后,尽管霍金的发声能力有了不小的退化,而且慢慢失去对肌肉的控制力,倒还是能移动。夏玛相信他的才能,劝他重返学校。

杀不死他的,只会让他更强大。霍金发现,当时世界上两个宇宙诞生理论之一的稳恒态理论存在严重漏洞。这一理论的主要提出者不是别人,正是弗雷德·霍伊尔 (Fred Hoyle),霍金一度极为崇拜,却又没有机会拜师的著名理论物理学家。在当时,天文观测得出的现实结果和稳恒态理论产生了冲突,霍伊尔不得不对理论进行修改,而这引起了霍金的不满。

他投身到另一个理论——大爆炸的研究当中。1964 年,天文学家测量出了宇宙背景辐射,一种稳恒态理论怎么修改都无法解释的现象。这一发现直接导致稳恒态理论破产。1965 年,霍金发表了论文驳斥霍伊尔,在已经凉掉的稳恒态理论上又补了一刀。

同年,霍金和伦敦大学语言学专业的珍·怀尔德 (Jane Wilde) 完婚。他们在朋友举办的新年派对上相识并坠入爱河。

剑桥大学人才济济,罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose, 理论物理领域的发明狂) 证明了恒星生命结束、重力塌陷(坍缩)之际会变成一个黑洞,黑洞中心则有一个密度和曲率无穷大的引力奇点。霍金觉得这个思路很有趣,于是把它转了个方向(黑洞向内吞没一切),假设将宇宙扩张往回倒带,会否看到一个密度和曲率无限大的奇点?这一设想是否符合广义相对论?能否提供一个可信的证据,让大爆炸成为一个正经的学说,不再被霍伊尔之流当做玩笑?

霍金顺着这个思路撰写了《宇宙膨胀的性质》和《奇点与时空几何》。前者帮助他拿到了博士学问,后者则为他赢得了剑桥大学的亚当斯奖(和彭罗斯一起)。他的导师夏玛认为,霍金的学术贡献在当代,堪比牛顿之于经典力学的地位。

确定自己的病情并没有早前想象糟糕之后,霍金开始了开挂一般的学术之旅:他抓住了奇点这一崭新的、高度可证明和容易被相信的学说,继续研究了下去;1968 年,他得到了更多证据,认定宇宙背景辐射的存在能够证明宇宙的确发生过大爆炸。

他继续和彭罗斯等人继续研究宇宙初始,终于在 1970 年共同发表论文,证明在宇宙遵循广义相对论,并且包含足够多物质的前提下(这两个前提,后者属实,前者被广泛认为非常可靠),宇宙的初始一定是一个奇点,而诞生的方式一顶是大爆炸。他还跟乔治·艾利斯 (George Ellis) 合作,把自己的物理学和艾利斯的数学结合在一起,通过微分几何来检验广义相对论,撰写了《时空的大尺度结构》(The Large Scale Structure of Space-Time) 一书。

后来,他转而研究黑洞,却依然继续着疯狂的一年两三篇论文的节奏。这中间并不是没有出现错误,比如他一度认为没有任何粒子可能从黑洞内部逃逸出去,但后来却通过计算发现自己是错的。他很快在 1974 年发布了论文,用正负结对的“虚拟”粒子来演绎黑洞可能出现的粒子逃逸、质量减小,也即黑洞辐射(霍金辐射)的情况。

在此之前,人们认为黑洞是一个只进不出的天体,而霍金将引力和量子力学联系在了一起,证伪了旧观点。学术界广泛认为,霍金辐射是霍金在理论物理学科上两大最重要贡献其一。其二,则是他和彭罗斯合作提出的,在广义相对论框架内的彭罗斯-霍金奇性定理。

史蒂芬·霍金在芝加哥,1986 年

你能看出,霍金主要的学术贡献,在他的严肃学术生涯的头 10 年就已经完成了。在这 10 年里,他从大爆炸假说的十字军变成了一位成就卓越的理论物理大师,他和少数几位其他理论物理学家共同构造了基于广义相对论的当代黑洞研究,也让它成为了公众在当时最流行的讨论话题。

冷战仍在持续着,但美国刚刚结束了越战,世界重新回复了相对稳定的状态,而科技的飞速发展引发了公众对科学的兴趣。1974 年的学术发布,还有另外一个重要的作用,即是让他正式从学术大师升华成为全国、甚至整个西方世界家喻户晓的知名科学家——不是所有科学家都能这般好运。

他的采访时常见报,人们也通过电视认识了这位坐姿怪怪的英国天才。1979 年,剑桥大学授予他卢卡斯数学教授席位 (Lucasian Chair of Mathematics),剑桥数理科教授最高的荣誉。由于研究的前沿性,霍金或多或少被赋予了一种前沿学家的身份,参加各类科技甚至科幻的探讨。好在他做出的猜测在几十年后都得到了应验,比如他在 1979 年演讲中就指出计算机运算能力将会超过人脑,而届时理论物理学者可能会失去工作。

可能因为变得自傲,抑或由于感受到了人的生命有限,霍金改变了物理研究的风格,一定程度上放弃了严密的数学论证,开始大胆地进行假设、推测和相信直觉。他告诉自己的朋友,著名天体物理学家基普·索恩 ,“在正确和严密两种选项之间,我宁愿选择正确。”

没有悬念,在这之后霍金开始更多地提出不够严谨、缺乏可靠证明,甚至在逻辑上错误的理念。一个最有代表性的例子是在 1997 年,当时他和天体物理学家基普·索恩 (Kip Thorne, 引力波的重要理论贡献者,《星际穿越》的科学编剧)、约翰·裴斯基 (John Preskill) 之间就黑洞逸出信息是否来自黑洞视界内部开盘设赌。类似的赌局有过好几次,霍金因此得名“黑洞赌王”。

霍金,一如和他同时代的英国数理专家,热衷于挑战权威和发明新鲜事物

这并没有影响霍金在学术、精英和公众视野内继续提高影响力。他在上世纪 80 年代拿到了更多的勋章和荣誉身份。需要明确的是,这并不是说霍金名不副实——正相反,他以一己之力推动了整个社会对于前沿技术的对话和思考,而这理应得到重奖。更何况徽章不能卖钱,这些荣誉上的奖励并不代表着他获得了什么物质奖励。

大红大紫如霍金也要赚钱养家,更何况 85 年的那次肺炎已经让他倾家荡产。克服了无法说话等百般困难,霍金终于在 1988 年完成了自己在“后学术黄金时代”对整个世界最重要的一次贡献:发行新书《时间简史:从大爆炸到黑洞》(A Brief History of Time: from the Big Bang to Black Holes)。

这本书霍金从 1980 年代初就开始动笔,直到 1984 年时基本已经成稿,但他对内容又不满意,多次编辑修改。但那次肺炎导致他无法说话,后来必须用语音合成器才能勉强和别人沟通,严重拖慢了定稿的进度。

功夫不负有心人,霍金最终还是完成了《时间简史》,所用的时间和相同分量的大作相比,也不算拖稿太久。霍金直接和 Bantam出版社签订了合约,这是一家商业出版社,并非学术出版社(后者的编辑可能会自认为比他更懂天体物理学)。出版后,这本书数月蝉联美英畅销书排行版冠军,而加上 2005 年霍金重写并找人大量配图的《新时间简史》,总销量更是突破了千万册。

《时间简史》用尽量平易近人的文字描述了太阳系和宇宙的结构、时间和空间的关系、宇宙的扩张和天体的诞生、为何未来无法被预测、不同的粒子、黑洞等每个人都可以产生兴趣的话题。对于数学、物理学者,这些信息可以轻松地被公式所表达,但霍金和编辑最终同意去掉除了质能公式之外的一切公式,转而采用文字、图表和插图来阐释复杂的原理。这是《时间简史》最大的优点,它被评价为天体物理学成为严肃学科以来,第一本由学术界公认的顶尖人士著作,却又适合普罗大众入门的科普书籍。

然后,霍金又回到了跑学术会议、出书、接受采访、演讲、领奖、跑会、继续出书、更多的采访和演讲的循环。他在西班牙、美国等国都接受过最高荣誉的奖章,甚至远程出席过中国一些名气不高的会议。当然,在这个循环中间,偶尔也会出现霍金自己的观点被证伪的情况。在 2004 年的一次会议上,他在几乎整个广义相对论学术圈的面前给出了自己的论证过程,接着欣然宣布自己输给了裴斯基。

他也不是特别在意这些——毕竟人无完人。不过,面对自己的错误,有时他也是气馁的,比如 1974 年发现黑洞辐射那次,他在之前的假设里从来没有想过会有粒子逸出的情况,“我差点栽在这了,气死我了。”

颇似跟他同时代的英国数理学家,霍金除了热衷于发明新的理论、大胆假设、不怕认错,还是一名藐视权威、不拘小节的学者。他把自己的轮椅当做赛车,在通勤的路上横冲直撞,曾被汽车撞倒,骨折缝针;他在查尔斯王子的面前炫耀自己的轮椅,英国王储被他轧到脚也不能奈他何;他在肉体上虽严重残疾,仍然活的像一个健全的男子,在不做科研的日子里夜夜笙歌;他的爱情观也颇为前卫,在发妻出轨后自己也爱上了护士/保姆,过了十几年又重新回到了发妻的身边。

他曾希望未来出现一个能够完美解释和宇宙有关一切的完整理论,而且随着时间普通人也应该也能理解这个理论。所有人都应该能够参与到讨论中,探讨宇宙和我们为何存在。“那将会是人类理性的终极胜利,因我们终于理解上帝的旨意。”

1942 年 1 月 8 日,史蒂芬·威廉·霍金 生于英国牛津一个简朴的高级知识分子家庭。2018 年,3 月 14 日,霍金于英国剑桥家中千古,享年 76 岁。

有人曾经问过他,如果把一个人丢到黑洞里会发生什么,“我不觉得他会活下来。不仅他不会回来,组成他的每一个原子都不会回来……但他的重量对应的能量会回来,”

“也许整个宇宙也是这样运行的,”他说。

怎样用公式描述以他名字命名的粒子逸出活动,是他生前一直想要解开的谜。

他已经将数学和物理学的公式烂熟于心,在失去了写字和口述的能力后,练就了在脑海里推演公式的强大能力。这便是优秀理论天体物理学家的日常,在黑板、纸上,和自己的脑海里预言千兆光年之外发生的事情。而霍金是他们中的佼佼者,他的推算和预言正确率高到让你以为他并非来自这个星球。

“人们一直错认为数学就是公式。其实,公式只是数学里最无聊的部分。”

但在 2002 年他还是表示,如果有天霍金辐射公式算出来了,请一定刻在他的墓碑上。

假如霍金能够摆脱渐冻人症,摆脱退化的肌肉和轮椅的桎梏,你大可不必担心他会无聊——他的肉身已经参与过《星际迷航》的拍摄,他的声音也出演过《辛普森一家》。他一直期待着能够成为理查德·布兰森的维珍银河公司 (Virgin Galactic) 星际旅行飞船的乘员。只可惜走的太早,另一位亿万富翁伊隆·马斯克已经答应 2019 年试飞具备星际旅行能力的大火箭。

好在,霍金的肉身在有生之年已经比绝大部分地球人离宇宙更近了:65 岁生日那天,他送给自己一份令常人难以想象的礼物,乘坐一架抛物线飞行的波音 727 飞机,借由每一次的下降感受短暂而又珍贵的零重力:

他的肉身一辈子为重力所束缚,可他的灵魂早已徜徉在广袤的宇宙。

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