原創 矩陣星 果殼
1月8日，在物理學史上是個不平凡的日子。1642年1月8日，年數已高的伽利略·伽利雷在義大利佛羅倫斯溘然長逝。3個世紀後的1942年1月8日，一個新生兒降生在英國牛津，被父母命名為史蒂芬·霍金。
伽利略與霍金 前者的忌日與後者的生日相隔整整300年 | Wikimedia Commons
伽利略和霍金同為劃時代的物理學家，前者的忌日與後者的生日正好相差整整300年，這一美妙的巧合一直為物理學界津津樂道。也正是在這300年間，歷史見證了樸素的經典物理學向以量子力學和廣義相對論為支柱的現代物理學的跨越，伽利略和霍金也正是經典和現代物理學的傑出代表。回顧和比較兩人的學術成就以及身處的時代大背景，我們能更真切地體會到物理學在這300年間發生的翻天覆地的變化。
從月球環形山到黑洞
伽利略和霍金都對我們頭頂的浩瀚星空進行了深入的研究，只是兩人的研究方式可以說是大相逕庭。
伽利略對宇宙的探索，主要依靠他親手改造的望遠鏡，他是歷史上第一個用望遠鏡觀察天體的人。在望遠鏡中，他發現了月球上的環形山、繞著木星轉動的四顆衛星、土星環還有太陽黑子，每一項都稱得上是天文學的重大突破，這也讓伽利略被後人稱為「觀測天文學之父」。
伽利略向威尼斯總督展示他製作的望遠鏡 | Wikimedia Commons
伽利略手繪的月面草圖 | Wikimedia Commons
伽利略的天文發現對當時主流的古希臘宇宙觀構成了嚴峻的挑戰，推動了地心說向哥白尼日心說的發展。在亞里斯多德的設想中，天上的星體應當是完美無缺的，月球環形山和太陽黑子否定了這一想法。支持地心說的託勒密學派則認為只有地球才可能有天體繞著運動，木星四顆衛星的發現更是說明了地球並不是宇宙的中心。
時間來到霍金所處的20世紀，伽利略發現的月球環形山上已經留下了人類的足跡。天文學觀測宇宙的工具從可見光拓展到了紅/紫外線、X射線等整個電磁波譜，天文學家以此來研究宇宙中數千億顆恆星的光譜與構成，發現了脈衝星、類星體等特殊的天體。廣義相對論甚至預測了一種全新的天體：黑洞。黑洞質量如此之大，密度如此之高，以至於光線都無法逃脫它的引力。
霍金學術成果集中體現在他對黑洞理論的巨大貢獻，他與彭羅斯共同提出了彭羅斯-霍金奇點定理，並根據量子效應提出黑洞內部存在輻射（後來被命名為霍金輻射）。然而，與伽利略的望遠鏡裡肉眼可見的月球環形山不同，霍金研究的黑洞一開始是從廣義相對論方程推導出來的。廣義相對論提出了半個世紀，人類才在6000光年外的天鵝座X-1裡首次確認了黑洞的存在，又過了50多年才拍下了第一張黑洞的照片，可以說人類最先是利用數學方程而不是望遠鏡這樣的實驗儀器發現了黑洞。
人類史上首張黑洞照片 | Wikimedia Commons
物理與數學的相愛相殺
同為窺探宇宙奧秘，伽利略的工具是望遠鏡，霍金的工具則是高度形式化的數學，這也反映了300年間物理學研究方法的巨大轉變。
就物理學思維而言，伽利略已經站在了時代最前列，他是最早嘗試用數學語言描述物體運動規律的科學家之一，比如用坐標描述拋射物體的運動軌跡。用數學定量描述物體運動的思想後來被牛頓發揚光大，發展出了以微積分為數學。
對於伽利略和牛頓那個時代的物理學家來說，物理學研究的基本方法就是先做實驗記數據，然後嘗試用數學方程來描述和歸納實驗結果，最終總結出一般性的物理理論。舉個簡單的例子，我們讓一個小球自由落下，測出小球下落的距離和落地的時間，發現距離和時間的平方是成正比的，那麼就不妨用一個數學公式來描述這種自由落體運動：
數學公式描述自由落體 距離和時間的平方成正比| keisan.casio.com
然而，經過3個世紀的發展，數學在物理學中的地位大有反客為主之勢。物理學家將以前的研究方式顛倒了過來，開始從數學結構中推導出物理理論，最後再用實驗結果來檢驗。廣義相對論中的愛因斯坦場方程就是非常典型的例子，不像上面的自由落體公式，這個複雜的方程沒有參考實驗數據，幾乎完全是從數學變換中構造出來的。要是讓兩三個世紀前的物理學家來看這個公式，即使能搞懂所有的數學符號，他們恐怕也只會認為這只不過是數學家的奇技淫巧，脫離了我們的現實世界。
牆上的畫表現光線受引力作用彎曲，下方的公式就是愛因斯坦場方程 | Wikimedia Commons
出乎意料的是，後來物理學家發現，愛因斯坦場方程真的能夠描述宇宙中的引力場，黑洞的概念就來源於這個方程的一個解。霍金的主要成果之一，彭羅斯-霍金奇點定理討論的也是方程解的一類特殊問題。除了黑洞以外，愛因斯坦場方程還預測了引力波的存在，並最終在2016年得到了證實。經過3個世紀突飛猛進的發展，數學在物理學中的地位已經達到了前所未有的高度，從單純用來記錄和擬合實驗數據的工具最終化身成為發現物理規律的重要依據。
霍金（左）與彭羅斯（右）
彭羅斯因對黑洞的研究榮獲2020年諾貝爾物理學獎 | IAI TV
邁向科學時代
在伽利略逝世和霍金出生相隔的300年間，人類社會發生了多次科學革命，對待科學技術的態度也發生了根本性的轉變，從伽利略和霍金的作品受到的待遇上就可以非常明顯地看到這一點。
伽利略所處的時代對他的科學探索並不友好。那時候科學還沒能從哲學和宗教中完全分離出來，相比起實驗結果，主流思想界更願意相信古希臘的先哲和《聖經》。
為了宣揚哥白尼的日心說理論，伽利略完成了天文學著作《關於託勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（以下簡稱為《對話》）。這本書採用了對話體的形式，書中的兩名角色分別為伽利略和亞里斯多德學派的代言人，對地球的自轉和公轉、潮汐等科學問題進行了辯論。說是對話，其實也就是伽利略借用別人的口吻來反駁亞里斯多德的觀念。書裡亞里斯多德的代言人辛普利丘(Simplicio)漏洞百出，而伽利略的代言人薩爾維奧蒂(Sagredo)則是據理力爭。
《關於託勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》 | Wikimedia Commons
因為宣揚地球不是宇宙的中心，《對話》出版沒幾個月就被教會列為禁書，伽利略本人被傳訊到宗教法庭審判，最終被判處終身軟禁。這是科學史上最臭名昭著的審判之一，直到3個多世紀後，羅馬教皇才為伽利略正式平反，代表教會承認當年對伽利略的判決是不正當的。
表現伽利略被教會審判的油畫 | Wikimedia Commons
與伽利略的遭遇形成鮮明反差的是，霍金的科普作品《時間簡史》直至今日仍然是人類社會最暢銷的讀物之一，書中描述的浩瀚宇宙與背後的物理規律讓無數人著迷。不僅《時間簡史》成為了一種流行符號，霍金也成為了當代物理學的代言人之一，甚至每當霍金髮表關於人類社會或外星生命的觀點，都會引來人們的關注和爭論。《時間簡史》的風靡和霍金受到的尊崇也側面反映出當代人類社會對未知世界的好奇與對於科學事業的關注。
《時間簡史》 | Wikimedia Commons
事實上，把伽利略的《對話》放到今天出版，假如能拋去落後於時代的表述方式，這本書同樣是一本不錯的科普作品。書裡沒有冗長的證明，而是以你一句我一句的對話形式證明了地心說的荒謬。伽利略也可能像霍金一樣成為受大眾喜愛的物理學家，而絕不是被某個國家機器審判和軟禁。社會主流對待科學思想與科學家的態度可能是伽利略和霍金所處時代最本質的差別之一。
一脈相承的科學家精神
拋開伽利略和霍金的學術成就，如果將更多關注點放到他們的生平事跡上，兩人在科學探索中表現出的精神屬性同樣值得後世銘記。
伽利略能在思想封閉的大環境下取得突破性的成就，核心原因之一就是他絕不迷信權威。在伽利略看來，不管你是教皇還是亞里斯多德甚至是《聖經》中的上帝，如果你的理論和我的觀測結果相悖，那麼我就要向你提出質疑。教會的審判和軟禁更使他成為遭受不公待遇的代表科學家之一，提高了他在人類科學史中的地位。
油畫中面對羅馬宗教裁判所的伽利略（右一） | Wikimedia Commons
對於霍金而言，他對抗的不是鉗制思想的教會，而是壓榨生命的病魔。霍金年輕的時候患上了罕見的漸凍人症，病情最終惡化為全身癱瘓，他只能依靠機器表達自己的思想。即使是在如此惡劣的身體條件下，霍金仍然憑藉頑強的意志在理論物理學領域做出了突破性貢獻，並致力於將科學傳播給更為廣泛的大眾。
霍金沒有被病魔擊倒 | Wikimedia Commons
霍金本人在《時間簡史》裡寫道，「我對伽利略之所以有一種強烈的認同感，其部分原因是剛好我出生於他死後的300年！」一位是近代科學的先驅者，一位是現代宇宙學的天才理論家，伽利略和霍金不僅在逝世和出生日期上有著奇妙的巧合，兩人的科學成就、科學思想和科學精神也是物理學家中當之無愧的典範。
參考文獻
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_Galilei
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking
[3] Singer, C. (1941). "A Short History of Science to the Nineteenth Century". Clarendon Press: 217.
[4] Rose, Charlie. "A conversation with Dr. Stephen Hawking & Lucy Hawking". charlierose.com. Archived from the original on March 29, 2013.
[5] 吳國盛.科學的歷程[M]. 長沙：湖南科學技術出版社，2018.
作者：矩陣星
原標題：《霍金在伽利略逝世300年後出生，今天分別是他們的生日和忌日》
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