霍金給我們留下了什麼?

2021-01-12 新京報

科普之家

霍金以不懈探索的科學精神提醒我們,積極樂觀是我們面對廣袤而陌生宇宙時最好的生活方式。

3月14日,被稱為「圓周率日」(Pi-day),也是現代最偉大的物理學家愛因斯坦的誕辰,如今又要加上一項,是當代最偉大物理學家之一史蒂芬·霍金逝世的日子。

是的,霍金的傳奇色彩似乎是命中注定的,因為他出生的日子(1942年1月8日)是義大利著名物理學家伽利略誕辰300周年;從1979年到2009年,霍金又擔任劍橋大學的盧卡斯數學教授,這個職位的第二任職者就是歷史上最偉大的物理學家牛頓。

霍金的研究課題也跟伽利略、牛頓、愛因斯坦有直接的繼承關係——現代天體物理學和宇宙學。

霍金最大貢獻是奇點定理和霍金輻射

霍金最初在上世紀70年代的研究是關於黑洞的性質,提出了奇點定理和霍金輻射。

黑洞是愛因斯坦廣義相對論的產物,奇點則是當物質進入黑洞之後,向中心聚集成為沒有大小的「幾何點」,具有無限大的密度和能量。霍金和彭羅斯證明,黑洞中心的奇點是不可避免的,也就是真實存在。在這樣的點上我們現有的物理定律都會失效。

霍金進一步提出,我們的宇宙起源時的大爆炸,實際上可以看成是黑洞奇點的反演。這個研究推動了早期的宇宙學理論進展。

霍金還發現黑洞面積相當於它的熵,提出了黑洞面積不減定理,並結合量子力學提出了黑洞蒸發理論,也就是所謂的霍金輻射。這個理論指出,由於黑洞附近的量子過程允許從真空裡借出部分能量,如果負能量粒子會落到黑洞裡面去,黑洞外的正能量粒子逃逸,在我們看來,黑洞就有了輻射,也就是「黑洞不是黑的」。

霍金輻射目前還沒有得到證實,這也是其被認為沒有獲得諾貝爾物理學獎的原因。

霍金對科學的追求從未止步

霍金後期的工作,集中於弦理論,這項研究試圖解決當代物理學的一個主要矛盾,即愛因斯坦廣義相對論和量子力學之間不能相容的問題。

因為廣義相對論描述的是廣延時空和運動,而量子力學處理的對象是分立的量子現象,如何把它們統一起來吸引了霍金的興趣。

霍金參與發展了M理論,這種理論認為弦或者膜是組成物質的最基本單元,所有的基本粒子如電子、光子、中微子和夸克都是弦或膜的不同振動激發態。

雖然霍金最主要的工作是在上世紀七八十年代做出來的,但他對於科學的追求從未止步,一直在科學前沿奮鬥。

一直到這個世紀,他仍在嘗試深入理解黑洞和宇宙的本質,並且不憚於推翻自己早年的科學設想。

比如在2014年初,他還在Nature發表論文,試圖解決黑洞理論中的「火牆悖論」,他創新性地提出黑洞的表面可能不是穩定的,從而不存在邊界悖論,也就是我們需要從理論上重新去理解黑洞表面的性質。

始終以積極樂觀精神勉勵世人

當然對於我們來說,霍金更是一位暢銷科普書作家,無論是他的《時間簡史》《果殼中的宇宙》《大設計》《我的簡史》,還是他和女兒合著的科學小說《喬治的宇宙》,都是現象級的科普書。

尤其對於中國讀者來說,1992年推出的《時間簡史》中文版把大爆炸宇宙學這種全新的宇宙觀念帶給了每個人。它的出版,推動許多中國學生投入到了現代天體物理學和宇宙學的研究中。

霍金在公眾裡的名望和他對於科學的熱情,使他的每一個舉動都成為公眾關注的熱點,而他也善於利用這種關注推動科學研究的進步。

比如在2016年,他和扎克伯格等人發起了「突破攝星」項目,致力於通過發射以雷射為動力的超輕星際飛船,達到20%光速,從而在二十多年後達到離我們最近的恆星系統半人馬阿爾法。

科學進展的每一步都會面臨重重困難,而霍金以他不懈探索的科學精神提醒我們,積極樂觀是我們面對廣袤而陌生宇宙時最好的生活方式。

雖然身患重病,但他始終笑對生活。2007年4月26日,霍金在美國乘坐一架由波音727客機改裝成的「重力一號」飛機,前往大西洋上空。飛機從10千米的高空急速俯衝到距離地面2400米處,使他在25秒內處於一種接近零重力的狀態。我們亦從中看到他積極對待生活的樂觀態度。

最後,讓我們回顧霍金家人的聲明,作為紀念——

「我們親愛的父親今天去世了,我們深感痛心。他是一位偉大的科學家,也是一位非凡的人,他的工作和遺產將會一直流傳。他勇敢、堅韌、輝煌、幽默激勵了全世界的人們。他曾經說過,『如果這個宇宙不是你所愛的人的家園,那它就稱不上宇宙。』我們會永遠懷念他。」

□孫正凡(天體物理學博士)

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