霍金又出了一本新書,你能聽懂他講的黑洞奧秘嗎

[摘要]霍金的工作是對大眾科學思想的啟蒙，一本本著作用通俗易懂的方式，梳理佶屈聱牙的物理問題和宇宙奧秘，吸引更多的人去關注、理解頭頂的星空和自然科學的發展。

作為最廣為人知的當代科學家之一，霍金老爺子這幾年表現出了「網紅體質」。最近幾天，他就又在微博上了熱搜榜。先是出來一條已經被澄清的謠言，說霍金「警告人類不要嘗試登月，月球背面有外星人」；之後又來了一條真的警告，他在挪威一場會議上說，人類若想生存下去，就必須在200到500年內在太空中找到新家。「我堅信人類應該離開地球。」

但和其他「紅人」一樣，一旦較起真來，我們會發現自己對霍金的了解也沒有那麼多。比如：他的具體研究方向是什麼？他有沒有獲得過諾貝爾獎？除了《時間簡史》，他還出過什麼書？這些問題一問出來，很多人可能都不太清楚。

最近，霍金關於「黑洞」的演講集《黑洞不是黑的：霍金BBC裡斯講演》中文版出版，讓我們漲知識、學科學、熟悉霍金的機會又來了。

相比於眾多前輩，霍金無疑是「接地氣」許多，他是「高高在上」的科學家，卻來到我們身邊，開了微博、講了段子、還和鄧超互動……成了讓我們親近的「網紅」；另一方面，多年來，通過種種渠道和方式，霍金對許多人來講都可以算是「我從小聽著你的故事長大的」人物了，「身殘志堅」是他的代名詞：21歲確診運動神經疾病的青年，被預告只能再活5年，卻一直到今天都在發展理論物理的前沿。

霍金的著作頗豐，但是除了對常人來說天書般的學術文章和高深理論外，他還做了什麼？

在紅遍全球的《時間簡史》中，霍金探索了時間和空間的奧秘，並對宇宙的本性、空間和時間、黑洞、時間箭頭等問題進行闡述。而《我的簡史》則是霍金的自傳，講述了一個炮火中誕生的英國男孩，是如何「倔強地」成長為今天我們所尊崇的坐在輪椅上的巨人。他還和女兒露西·霍金共同創作了小說《喬治的宇宙》「三部曲」，是寫給孩子們看的科普書。和他相關的著作、傳說、紀錄片、電影更是不勝枚舉，他自己客串了熱門美劇《生活大爆炸》，以他為主角的《萬物理論》使「小雀斑」捧回奧斯卡影帝獎盃。

《時間簡史：插圖版》

作者：[英] 史蒂芬·霍金

譯者：許明賢 / 吳忠超

版本： 湖南科學技術出版社

這讓很多人產生疑問：霍金為什麼要做這些？

科學的語言需要一個「翻譯」，霍金做的，就是這樣的工作。當有人用高深的數學語言致力於將我們頭頂的星空看得透徹點、再透徹點的時候，也需要有人告訴我們他們發現了什麼，所以更多的人可以知道在離我們遙遠的彼端，正在發生什麼。霍金的工作是對大眾科學思想的啟蒙，一本本著作用通俗易懂的方式，梳理佶屈聱牙的物理問題和宇宙奧秘，吸引更多的人去關注、理解頭頂的星空和自然科學的發展。

史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）

1942.1.8-

英國物理學家

「萬物理論」

為什麼霍金的傳記片要被稱為《萬物理論》？

「萬物理論」是物理學家們企圖將世間萬物統一於一個理論中的追求，他們希望通過找到一個單一理論就能夠描述整個宇宙。自人類社會發展以來，但凡是有學科體系的建立，尋找完美的終極理論便成為了其中永恆的話題。

而在物理學界，「終極」也一直是其前進的動力，愛因斯坦說，「上帝不會擲篩子」，所謂的隨機性和不確定性只是人們認識的問題而不是宇宙本身的屬性。從牛頓到麥克斯韋再到愛因斯坦，宇宙與地球、電力與磁力、時間與空間在理論探索和實驗證明下不斷證明了其「萬物」的可能性。

霍金預言：

「我預料本世紀某時我們將會發現一個完備的統一理論。利用那些基本定律，我們能夠建立的複雜性是沒有限度的。」

根據霍金前妻簡·王爾德的回憶錄

《飛向無限:和霍金在一起的日子》改編的電影《萬物理論》

「萬物理論」有實現的可能性嗎？

在目前看來，兩種理論最有可能成為萬物理論，一是廣義相對論，二是量子場論。前者專注於研究宇宙中的大尺度問題；後者則是極小空間下的科學，探索解釋最小尺度的粒子行為。

愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論解決了牛頓的引力理論在某些情況下不能適用的疑問，比如當遇到宇宙中的極端速度，或者是超強引力時的情況，水星的運行軌跡即是一例。愛因斯坦提出，引力應由彎曲時空的度規來體現，物理定律在任意坐標系中都採取同樣的形式，而時空度規應滿足愛因斯坦場方程。廣義相對論是相對性原理、光以及引力三者和諧共存的理論。

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert.Einstein）

1879.3.14－1955.4.18

然而，正如上述指出的，粒子不同於一個蘋果或是大型天體，它並不遵循牛頓和愛因斯坦創立的定律，愛因斯坦的理論在這時可能也不能是「萬物理論」；但霍金開創地利用極小空間制度下的科學去研究大尺度的時空，使「萬物理論」的發展又前進了一步，這正是我們熟悉的「量子理論」。

黑洞無毛

說到「量子理論」必然要談到「黑洞」。在牛頓力學中，每個天體都有一個逃逸速度，只有投擲速度超過它時才能夠成功擺脫天體，可是，如果天體的引力足夠大時，這個速度也是足夠大的，沒有任何物體可以掙脫這個天體，包括光。這樣的天體只能吞噬，不能釋放，不能散發熱量，也無法發射光，因此拉普拉斯才說，「宇宙中的最大星體可能是看不見的」，而20世紀中期，美國物理學家惠勒將這種「看不見的星體」命名為我們今天熟悉的「黑洞」。

「黑洞」名字的提出還有一個有意思的故事，惠勒造出這個詞，想表明坍縮恆星殘餘本身是有趣的，這個詞也讓人聯想到某種黑暗而神秘的東西。但是，法國人卻察覺到了這個詞更下流的一層意思，trou noir因為被認為具有更淫穢的意思在法語中被排斥，然而最終他們也只好屈服，霍金說：「何人能夠抵制一個如此大獲全勝的名字呢？」

法國人的拒絕沒有起到什麼效果，「黑洞」的名字風靡全球

可是既然「黑洞」是「看不見的星體」，科學家們又怎能知道有這樣一個東西存在呢？1939年時，愛因斯坦還專門撰文表示，沒有黑洞的存在，因為恆星不能在自身引力作用下坍縮。

這就涉及到了「黑洞」是如何形成的問題，惠勒在上世紀五六十年代中強調，恆星是會坍塌的。在一顆正常恆星的幾十億年壽命的大部分時間裡，支持恆星對抗自身引力的力量來自於恆星內部的熱壓力，熱壓力產生於恆星內部的核聚變的爆炸力。然而，恆星最終必將耗盡它的核燃料，失去與自身引力對抗的熱壓力，這時候恆星就會收縮。相對較小的恆星會收縮成緻密的白矮星，但很大質量的恆星則會收縮到具有無限密度的單獨的一點，這樣的一點被稱為奇點，黑洞就此產生。奇點是霍金數學研究的典型主題，它不僅標誌著恆星的終結，也有關整個宇宙的起點。

這並不是科學家隨便的猜測，黑洞雖然是一片黑暗，無法被看到，但科學家們通過探測到超過十億年前的兩個黑洞碰撞產生的「引力波」，證明了「黑洞」確實存在。

在我們的印象中，人人都知道黑洞神秘莫測，可以吞噬一切，甚至衍生出當描述一個人為「黑洞」時，往往指他行為異常、突然冷場、有進無出的怪異表現。黑洞真的是這樣的嗎？

這種印象是有科學依據的。奇點時空曲率為無限大，我們日常所熟知的時空規則就不再適用。同時，黑洞是有邊界的——事件視界。在視界上，引力的大小恰好足以把光拉曳到視界內並防止它逃逸。因為沒有任何東西的速度比光還快，因此經過視界的所有其他東西也必然會被引力拉曳回去。這就好比乘舟穿過瀑布，在瀑布上遊，如果你槳劃得足夠快，就能夠逃脫掉下瀑布的命運， 然而一旦到達了瀑布邊緣，再怎麼划槳都無濟於事了。

瀑布好比黑洞的事件視界，速度不夠快，必然會掉入黑洞

1972年，雅各布.伯肯斯坦提出了柏肯斯坦定理，認為引力坍縮產生的黑洞會快速地在一個靜態安頓下來，這個態只用三個參數就能表徵：質量、角動量（旋轉的狀態）和電荷。除了這三個性質，黑洞不保留已坍縮的天體的任何其他細節，大量信息被丟失，這也就是惠勒所說的「黑洞無毛」。「黑洞無毛定理」使得黑洞研究變得極度純粹，直擊自然的核心奧妙。霍金認為，只要能理解黑洞以及它們如何挑戰時空的本性，我們就會更接近揭開宇宙的奧秘。

進了黑洞還有救？

那麼黑洞真的「無毛」嗎？真的所有東西都無法從黑洞逃逸嗎？霍金在1974年利用量子力學研究黑洞附近的粒子行為時發現，黑洞似乎是在以穩定的速率發射粒子，而飛離的粒子的譜是精確地熱性的，這些計算首次表明，黑洞不一定是只出不進的，它會產生並發射粒子和輻射，這也就是著名的「霍金輻射」。

量子力學表明，整個空間充滿了虛粒子和虛反粒子組成的虛粒子對，他們不斷地成為實體又分離，再次碰撞並湮滅，而當其中一個虛粒子恰好在視界邊緣落入黑洞，另一個則無法湮滅，它可能落入黑洞，也可能逃逸，成為黑洞的輻射，黑洞並沒有想像的那麼黑。體積龐大的黑洞洩出粒子的速度慢，難以檢測。但霍金認為，若有一天他可以獲得諾貝爾獎，就是因為有人能夠發現體積稍小的「微」黑洞，這種「微」黑洞存在，且輻射量大。一個像山一樣重的「微」黑洞足以給整個地球提供電能。

霍金的諾貝爾獎就要靠這個能給地球充能的「微」黑洞了

在想像漫遊宇宙的無限可行性時，黑洞，可能是很多人擔憂的問題。但霍金告訴我們，就算遇到黑洞也不用怕，你有機會逃逸出來，甚至逃逸到另一個宇宙。

可是逃出來的是你嗎？霍金將之比喻為燒毀一本百科全書，留下的菸灰仍然保留著百科全書的信息，只是變得難以閱讀。信息進入黑洞同樣如此，霍金在數學上證實了粒子在超平移的過程中，在視界中植入大量只有在量子框架下才能看到的「軟毛」，刺激信息被儲存在事件視界裡，由三維成為了兩維的全息圖。換言之，如果你掉入了黑洞中，不要害怕，你還存在，只是還需要科學家進一步的研究和發現才能將你還原成本來的樣子。知道這個消息不知道是否鼓舞了不少人探索宇宙的熱情。

不要怕，從黑洞中可以逃出來

霍金坐在輪椅上，憑著有限的身體活動能力和無限活躍的大腦證明了宏大宇宙中渺小粒子存在的可能性。他說：「我所做的僅是證明，宇宙起始的方式可以取決於科學定律。在那種情形下，沒有必要哀求上帝去決定宇宙如何起始。這並非證明沒有上帝，只是說上帝是不必要的。」

霍金說的可能不一定是對的，他關於黑洞的研究和猜想有合理性也有存疑之處。可是知道有像他一樣的許許多多科學家在努力解密著我們頭頂的星空，總讓人有些安心。

又何止是遙遠的星空，對每個人來說，如果你覺得自己掉入了一個「黑洞」，記得，「它並不是想像中的那麼黑，它不是永久的囹圄……永遠不要放棄，總有逃命之路」。

《黑洞不是黑的：霍金BBC裡斯講演》

作者：[英]史蒂芬·霍金

版本：湖南科學技術出版社 2017年6月

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