《霍金簡史》:為什麼霍金是世界上最偉大的科學家之一?

【我們為什麼挑選這篇文章】霍金,許多人覺得他並沒有這麼偉大,無法跟牛頓等著名科學家齊名。不過,我想霍金本身的存在,對於這個世界就是一種勇氣,給予這個世界更多往前進的力量,找尋更好的生活、更好的自己。(責任編輯:陳君毅)

2006 年,史蒂芬霍金 (Stephen William Hawking) 訪問香港科技大學。一位名叫鄭邵斌的癱瘓患者向霍金提問,對安樂死合法化怎樣看,像他們這樣的人,是否應該享有安靜無痛苦地結束自己生命的權利。

提問者和回答者同在現場,坐在各自的輪椅上。

鄭邵斌大學畢業那年摔傷,致頸椎斷裂,頸部以下癱瘓,無法說話。霍金罹患肌萎縮性脊髓側索硬化症,也即俗稱的「漸凍人症」(ALS)。這是一種目前沒有有效治療方法的絕症,會導致患者呼吸衰竭,通常從發病到死亡只有三四年的時間。

鄭邵斌的提問,把霍金拉回了 1985 年。

1985 年,霍金拜訪歐洲核子研究組織時肺部感染,病倒在了瑞士。當時,漸凍人症摧殘霍金身體已經超過了 20 年,而這場肺炎對於身體極度羸弱的他雪上加霜。很快,霍金被宣佈病危。

主治醫生詢問他的妻子珍,是否願意拔管結束折磨。那幾個星期是霍金人生中最黑暗的時期,珍做出了繼續治療的決定,而氣管切開手術使霍金徹底失去了發聲​​能力。此後,他不得不採用計算機驅動的語音合成器來進行表達和溝通。

霍金告訴鄭邵斌,他有自由選擇結束自己的生命,但「結束生命將會是一個很大的錯誤。無論命運有多糟糕,人總應該有所作為。 有生命,就有希望 」。

殺不死他的,只會讓他更強大

這句話絕非演講無數的他從記憶中提取的雞湯金句,而是自己畢生的精煉所得。

他研究生考進了劍橋,雖然學的仍然是和理論天文物理,卻沒能進入理論天文研究所,投身自己崇拜的導師名下,而是被分到了三一學院,師從丹尼斯夏瑪 ( Dennis Sciama)。

霍金在 1963 年被診斷出漸凍人症,醫生告知他只能再活不到三年,更讓他在生活和學術上雙雙失去信心。他甚至曾經夢到過自己被人處決。

誰知兩年過後,儘管霍金的發聲能力有了不小的退化,而且慢慢失去對肌肉的控制力,倒還是能移動。夏瑪相信他的才能,勸他重返學校。

殺不死他的,只會讓他更強大。

霍金發現,當時世界上兩個宇宙誕生理論之一的穩恆態理論存在嚴重漏洞。這一理論的主要提出者不是別人,正是弗雷德霍伊爾 (Fred Hoyle),霍金一度極為崇拜,卻又沒有機會拜師的著名理論物理學家。在當時,天文觀測得出的現實結果和穩恆態理論產生了衝突,霍伊爾不得不對理論進行修改,而這引起了霍金的不滿。

他投身到另一個理論——大爆炸的研究當中。1964 年,天文學家測量出了宇宙背景輻射,一種穩恆態理論怎麼修改都無法解釋的現象。這一發現直接導致穩恆態理論破產。1965 年,霍金發表了論文駁斥霍伊爾,在已經涼掉的穩恆態理論上又補了一刀。

同年,霍金和倫敦大學語言學專業的珍·懷爾德 (Jane Wilde) 完婚。他們在朋友舉辦的新年派對上相識並墜入愛河。

霍金的學術貢獻在當代,堪比牛頓之於經典力學的地位

劍橋大學人才濟濟,羅傑彭羅斯 (Roger Penrose, 理論物理領域的發明狂) 證明了恆星生命結束、重力塌陷(坍縮)之際會變成一個黑洞,黑洞中心則有一個密度和曲率無窮大的引力奇點。

霍金覺得這個思路很有趣,於是把它轉了個方向(黑洞向內吞沒一切),假設將宇宙擴張往回倒帶,會否看到一個密度和曲率無限大的奇點?這一設想是否符合廣義相對論?能否提供一個可信的證據,讓大爆炸成為一個正經的學說,不再被霍伊爾之流當做玩笑?

霍金順著這個思路撰寫了《宇宙膨脹的性質》和《奇點與時空幾何》。前者幫助他拿到了博士,後者則為他贏得了劍橋大學的亞當斯獎(和彭羅斯一起)。 他的導師夏瑪認為,霍金的學術貢獻在當代,堪比牛頓之於經典力學的地位

確定自己的病情並沒有早前想像糟糕之後,霍金開始了開掛一般的學術之旅:他抓住了奇點這一嶄新的、高度可證明和容易被相信的學說,繼續研究了下去;1968 年,他得到了更多證據,認定宇宙背景輻射的存在能夠證明宇宙的確發生過大爆炸。

他繼續和彭羅斯等人繼續研究宇宙初始,終於在 1970 年共同發表論文,證明在宇宙遵循廣義相對論,並且包含足夠多物質的前提下(這兩個前提,後者屬實,前者被廣泛認為非常可靠),宇宙的初始一定是一個奇點,而誕生的方式一頂是大爆炸。他還跟喬治艾利斯 (George Ellis)  合作, 把自己的物理學和艾利斯的數學結合在一起,通過微分幾何來檢驗廣義相對論,撰寫了《時空的大尺度結構》(The Large Scale Structure of Space-Time) 一書。

後來,他轉而研究黑洞,卻依然繼續著瘋狂的一年兩、三篇論文的節奏。這中間並不是沒有出現錯誤,比如他一度認為沒有任何粒子可能從黑洞內部逃逸出去,但後來卻通過計算發現自己是錯的。他很快在 1974 年發布了論文,用正負結對的「虛擬」粒子來演繹黑洞可能出現的粒子逃逸、質量減小,也即黑洞輻射(霍金輻射)的情況。

在此之前,人們認為黑洞是一個只進不出的天體,而霍金將引力和量子力學聯繫在了一起,證偽了舊觀點。學術界廣泛認為,霍金輻射是霍金在理論物理學科上兩大最重要貢獻其一。其二,則是他和彭羅斯合作提出的,在廣義相對論框架內的彭羅斯-霍金奇性定理。

霍金的小稱號:黑洞賭王

你能看出,霍金主要的學術貢獻,在他的嚴肅學術生涯的頭 10 年就已經完成了。在這 10 年裡,他從大爆炸假說的十字軍變成了一位成就卓越的理論物理大師,他和少數幾位其他理論物理學家共同構造了基於廣義相對論的當代黑洞研究,也讓它成為了公眾在當時最流行的討論話題。

冷戰仍在持續著,但美國剛剛結束了越戰,世界重新回復了相對穩定的狀態,而科技的飛速發展引發了公眾對科學的興趣。1974 年的學術發布,還有另外一個重要的作用,即是讓他正式從學術大師昇華成為全國、甚至整個西方世界家喻戶曉的知名科學家——不是所有科學家都能這般好運。

他的採訪時常見報,人們也通過電視認識了這位坐姿怪怪的英國天才。1979 年,劍橋大學授予他盧卡斯數學教授席位 (Lucasian Chair of Mathematics),劍橋數理科教授最高的榮譽。由於研究的前沿性,霍金或多或少被賦予了一種前沿學家的身份,參加各類科技甚至科幻的探討。好在他做出的猜測在幾十年後都得到了應驗,比如他在 1979 年演講中就指出計算機運算能力將會超過人腦,而屆時理論物理學者可能會失去工作。

可能因為變得自傲,抑或由於感受到了人的生命有限,霍金改變了物理研究的風格,一定程度上放棄了嚴密的數學論證,開始大膽地進行假設、推測和相信直覺。他告訴自己的朋友,著名天體物理學家基普索恩,「在正確和嚴密兩種選項之間,我寧願選擇正確 」。

沒有懸念,在這之後霍金開始更多地提出不夠嚴謹、缺乏可靠證明,甚至在邏輯上錯誤的理念。一個最有代表性的例子是在 1 997 年,當時他和天體物理學家基普索恩 (Kip Thorne, 引力波的重要理論貢獻者,《星際穿越》的科學編劇)、約翰·裴斯基 (John Preskill) 之間就黑洞逸出信息是否來自黑洞視界內部開盤設賭。類似的賭局有過好幾次,霍金因此得名「黑洞賭王」。

 

這並沒有影響霍金在學術、精英和公眾視野內繼續提高影響力。他在上世紀 80 年代拿到了更多的勳章和榮譽身份。需要明確的是,這並不是說霍金名不副實——正相反,他以一己之力推動了整個社會對於前沿技術的對話和思考,而這理應得到重獎。更何況徽章不能賣錢,這些榮譽上的獎勵並不代表著他獲得了什麼物質獎勵。

大紅大紫如霍金也要賺錢養家,更何況 85 年的那次肺炎已經讓他傾家蕩產。克服了無法說話等百般困難,霍金終於在 1988 年完成了自己在「後學術黃金時代」對整個世界最重要的一次貢獻:發行新書《時間簡史:從大爆炸到黑洞》( A Brief History of Time: from the Big Bang to Black Holes )。

《時間簡史》:將天體物理學講成大眾可理解的語言

這本書霍金從 1980 年代初就開始動筆,直到 1984 年時基本已經成稿,但他對內容又不滿意,多次編輯修改。但那次肺炎導致他無法說話,後來必須用語音合成器才能勉強和別人溝通,嚴重拖慢了定稿的進度。

功夫不負有心人,霍金最終還是完成了《時間簡史》,所用的時間和相同分量的大作相比,也不算拖稿太久。霍金直接和 Bantam 出版社簽訂了合約,這是一家商業出版社,並非學術出版社(後者的編輯可能會自認為比他更懂天體物理學)。出版後,這本書數月蟬聯美英暢銷書排行版冠軍,而加上 2005 年霍金重寫並找人大量配圖的《新時間簡史》,總銷量更是突破了千萬冊。

《時間簡史》用盡量平易近人的文字描述了太陽系和宇宙的結構、時間和空間的關係、宇宙的擴張和天體的誕生、為何未來無法被預測、不同的粒子、黑洞等每個人都可以產生興趣的話題。對於數學、物理學者,這些信息可以輕鬆地被公式所表達,但霍金和編輯最終同意去掉除了質能公式之外的一切公式,轉而採用文字、圖表和插圖來闡釋複雜的原理。這是《時間簡史》最大的優點,它被評價為天體物理學成為嚴肅學科以來,第一本由學術界公認的頂尖人士著作,卻又適合普羅大眾入門的科普書籍。

然後,霍金又回到了跑學術會議、出書、接受采訪、演講、領獎、跑會、繼續出書、更多的採訪和演講的循環。他在西班牙、美國等國都接受過最高榮譽的獎章,甚至遠程出席過中國一些名氣不高的會議。當然,在這個循環中間,偶爾也會出現霍金自己的觀點被證偽的情況。在 2004 年的一次會議上,他在幾乎整個廣義相對論學術圈的面前給出了自己的論證過程,接著欣然宣布自己輸給了裴斯基。

他也不是特別在意這些——畢竟人無完人。不過,面對自己的錯誤,有時他也是氣餒的,比如 1974 年發現黑洞輻射那次,他在之前的假設裡從來沒有想過會有粒子逸出的情況,「我差點栽在這了,氣死我了」。

頗似跟他同時代的英國數理學家, 霍金除了熱衷於發明新的理論、大膽假設、不怕認錯,還是一名藐視權威、不拘小節的學者 他把自己的輪椅當做賽車,在通勤的路上橫衝直撞,曾被汽車撞倒,骨折縫針;他在查爾斯王子的面前炫耀自己的輪椅,英國王儲被他軋到腳也不能奈他何;他在肉體上雖嚴重殘疾,仍然活的像一個健全的男子, 在不做科研的日子裡夜夜笙歌 ;他的愛情觀也頗為前衛,在髮妻出軌後自己也愛上了護士/保姆,過了十幾年又重新回到了髮妻的身邊。

他曾希望未來出現一個能夠完美解釋和宇宙有關一切的完整理論,而且隨著時間普通人也應該也能理解這個理論。所有人都應該能夠參與到討論中,探討宇宙和我們為何存在。「那將會是人類理性的終極勝利,因我們終於理解上帝的旨意 」。

1942 年 1 月 8 日,史蒂芬威廉·霍金生於英國牛津一個簡樸的高級知識分子家庭。2018 年,3 月 14 日,霍金於英國劍橋家中千古,享壽 76 歲。

有人曾經問過他,如果把一個人丟到黑洞裡會發生什麼,「我不覺得他會活下來。不僅他不會回來,組成他的每一個原子都不會回來……但他的重量對應的能量會回來,」

「也許整個宇宙也是這樣運行的」他說。

他一輩子為重力所束縛,但靈魂早已徜徉在廣袤的宇宙

怎樣用公式描述以他名字命名的粒子逸出活動,是他生前一直想要解開的謎。

他已經將數學和物理學的公式爛熟於心,在失去了寫字和口述的能力後,練就了在腦海裡推演公式的強大能力。這便是優秀理論天體物理學家的日常,在黑板、紙上,和自己的腦海裡預言千兆光年之外發生的事情。而霍金是他們中的佼佼者,他的推算和預言正確率高到讓你以為他並非來自這個星球。

人們一直錯認為數學就是公式。其實,公式只是數學裡最無聊的部分 」。

但在 2002 年他還是表示,如果有天霍金輻射公式算出來了,請一定刻在他的墓碑上。

假如霍金能夠擺脫漸凍人症,擺脫退化的肌肉和輪椅的桎梏,你大可不必擔心他會無聊——他的肉身已經參與過《星際迷航》的拍攝,他的聲音也出演過《辛普森一家》。他一直期待著能夠成為理查德布蘭森的維珍銀河公司 (Virgin Galactic) 星際旅行飛船的乘員。只可惜走的太早,另一位億萬富翁馬斯克已經答應 2019 年試飛具備星際旅行能力的大火箭。

好在,霍金的肉身在有生之年已經比絕大部分地球人離宇宙更近了:65 歲生日那天,他送給自己一份令常人難以想像的禮物,乘坐一架拋物線飛行的波音 727 飛機,借由每一次的下降感受短暫而又珍貴的零重力:

他的肉身一輩子為重力所束縛,可他的靈魂早已徜徉在廣袤的宇宙

——

(本文經合作夥伴 pingwest 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈《霍金簡史》〉;圖片來源:WikiWiki;首圖來源:Lwp Kommunikáció, CC Licensed。)

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