霍金:我到過銀河系最遠處,旅行進入過黑洞,還返回過時間的奇點

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3月14日註定不是一個平凡的日子。在這一天，數學家會花式慶祝圓周率日（圓周率π=3.1415927......），物理學家慶祝愛因斯坦的誕辰（今年是愛因斯坦140歲生日）。而今年的這一天，我們又多了一件要做的事——緬懷霍金。今天，我們按照英文的26個字母順序選擇了26個「關鍵詞」，以回憶那些與霍金有關的故事。

哈姆雷特說：「我有可能被束縛在果殼之中，但把自己視為無限空間之王。」我認為他的意思是說，雖然我們人類在身體上非常受限，特別是我這樣的情況，但我們的思想可以自由探索整個宇宙，並勇敢地去甚至連《星際迷航》都不敢造訪之處。——霍金

A

在過完21歲生日後的不久，霍金就被診斷出患有ALS（肌萎縮性脊髓側索硬化症）。這種運動神經元疾病伴隨了霍金一生。他的肌肉逐漸無力，一點一點地失去行動、說話、吞咽，最終呼吸的能力。一開始，他的病情發展得很快，他甚至不確定自己是否能完成博士學業。但是在這種極端惡劣的身體狀況下，霍金卻奇蹟般的堅持了55年。

B

1960年代初，宇宙起源於一個炙熱和緻密的開端的想法還停留在科學猜測。但到了1964年，宇宙微波背景（CMB）輻射的發現為大爆炸理論提供了強有力的觀測證據。當時，在劍橋大學的霍金開始思考宇宙是否始於一個初始奇點。他與羅傑·彭羅斯合作，最終得出了著名的奇點定理：根據廣義相對論，初始奇點不僅是可能的，而且是不可避免的。到了20世紀70年代初，大爆炸理論已經被完全接受。

C

霍金與中國有著不解之緣，他一共到訪過中國三次。1985年，霍金第一次來到中國，前往中國科學技術大學，發表了題為「時間為什麼總是向前」的演講。從中科大離開之後，霍金前往北京，登上了長城。2002年，霍金受著名數學家丘成桐的邀請到中國做公眾演講，首站就是位於杭州的浙江大學，並在活動結束後遊覽了西湖，感受中國文化。2006年，霍金第三次來到中國，他先在香港和北京做了關於宇宙起源的演講，隨後在北京遊覽了天壇和頤和園。2016年，霍金開通微博，他的第一條博文提到了他的第一次中國之旅，最後一條博文更新於2017年11月24日，他說自己「看到了中國千禧一代年輕人對未來的思考和好奇心」，並鼓勵年輕人應該講這種好奇心和自信延續下去。

D

1962年10月，當20歲的霍金剛來到劍橋大學的數學和理論物理系時，他原本想要師從著名的天文學家弗雷德·霍伊爾。可是霍伊爾已經有足夠多的學生了，所以他被分配給了夏馬，這讓他非常失望。但後來他又為此感到慶幸，因為霍伊爾經常不在系裡，但夏馬卻總是在，而且可以隨時和他討論。另外，霍伊爾是穩恆態模型的支持者，他反對大爆炸理論。如果霍金與他合作，或許他的研究生涯就始於如何捍衛這個錯誤的理論了。

E

霍金對黑洞的研究最終使他推導出了黑洞熵公式。這個公式包含了牛頓的萬有引力常數（G）、約化普朗克常數（）、光速（c）、以及玻爾茲曼常數（κ）。這意味著霍金的工作把量子理論、廣義相對論和熱力學全部聯繫在了一起。這一關係或許是找到萬有理論的關鍵。

F

霍金敢於追問大問題。除了科學領域之外，他對未來也提出過許多的問題。霍金曾提出了一個問題：「在一個政治、社會和環境都處於混亂的世界裡，人類如何才能再維持100年？」他詢問我們是否能在地球上倖免於難？是否應該去殖民太空？是否會被人工智慧超越？我們要如何塑造未來……這些問題都留給了我們，當我們在未來的某個時刻獲得這些問題的突破時，或許也應感恩於我們站在了霍金的肩膀上。

G

霍金是個名副其實的「科學賭徒」，他的勝率非常穩定——在所有公開的科學賭局中，勝率為零。經常參與霍金賭局的就有著名的理論物理學家基普·索恩。有一次，他們賭的是裸奇點是否存在，霍金認為這不可能存在，但在1997年，當有理論證明可以存在裸奇點時，霍金認輸了。還有一次賭局始於1997年，參與者還是他和索恩，不過這次他們二人站在了同一邊，聯手與物理學家普雷斯基對賭，賭黑洞會摧毀併吞噬一切信息。2004年，霍金在一場演講表示輸掉了這場賭局。勝率堪憂的霍金還和粒子物理學家對賭過，他認為我們無法探測到希格斯粒子。後來的故事我們都知道，2012年，粒子物理學家在大型強子對撞機中發現了希格斯粒子。

H

1974年，霍金的發現震驚了整個物理學界。他證明了黑洞是具有溫度的，而具有溫度的物體就會產生輻射。這是他最著名的科學成就：霍金輻射。根據量子場論，所謂的真空並不是完全空的，而是充滿了量子漲落——虛粒子對會不斷的冒出又湮滅。當這種情形發生在黑洞的事件視界附近時，虛粒子對中的其中一個會被黑洞捕獲，另一個則會逃逸。逃逸的粒子便產生了霍金輻射。現在，這一理論已被廣泛接受，它標誌的是物理學的一個重大突破。

I

霍金輻射的發現也帶來了一個嚴重的悖論：落入黑洞的信息會丟失嗎？

試想一下，如果有一本攜帶著信息的書掉進黑洞，信息似乎會隨著黑洞的蒸發而完全丟失。如果是這樣，它就違反了量子力學的核心原理。難道信息不會隨著霍金輻射一起出來嗎？問題就在於黑洞內的信息是不能跑出來的，因此唯一的可能就是霍金輻射裡複製了書中的信息。但這樣就有兩份信息，一份在黑洞外，一份在黑洞裡面，那麼這樣又違反了量子理論。

黑洞信息悖論的誕生使我們面臨著一個尖銳的矛盾：要麼對量子力學進行修正，允許信息丟失；要麼修正廣義相對論，允許信息從黑洞內部逃逸出來。幾十年來，霍金一直致力於解決這個問題，但依舊沒有一個完美的解決方案。

J

在劍橋大學求學的時候，霍金在一次聚會上遇到了他的第一任妻子——簡·王爾德。她在霍金剛被確診患有ALS時，堅定地陪伴在他的身邊，重燃了他活下去的希望。1965年7月，他與簡結婚，婚後育有三個孩子。簡負責了生活中的一切瑣事，她悉心照顧年幼的孩子和日漸衰弱的霍金。他們的婚姻維持了30年，於1995年離婚，之後二人各自再婚。電影《萬物理論》就描繪了霍金的這段愛情故事。

K

1994年，英國搖滾樂隊Pink Floyd創作了一首名為《Keep Talking》的歌曲，歌中有一段霍金的電子聲音，聲音樣本取自霍金在英國電信的一個電視廣告。樂隊主唱David Gilmour在看到這則廣告後哭了，他說這是他一生當中看過的最有影響力的電視廣告。歌曲的開頭是霍金的聲音：「數百萬年來，人類像其他動物一樣活著。後來，一些事情發生了，讓我們的想像力得到了釋放——我們學會了交談。」歌曲以霍金的聲音結尾，歌詞是：「事情本不必如此，我們需要做的一切，就是確保我們繼續交談。」

L

霍金職業生涯的大部分時間都是在劍橋大學的應用數學及理論物理學系（DAMPT）度過的。1962年，他以博士生身份來到劍橋，1979年晉升為盧卡斯數學教授。此前曾擔任該職位的科學家還有艾薩克·牛頓、查爾斯·巴貝奇、保羅·狄拉克等人。2009年，他從該職位退休。他的同事戴維斯教授評價道：「霍金是20世紀最偉大的科學家之一，也是牛頓和愛因斯坦在引力物理學領域的自然繼承者。」

M

霍金認為，若想要更深層地理解宇宙，我們需要不斷地問為什麼。宇宙為什麼會存在？我們為什麼存在？為什麼只有這一套定律而沒有其他的……他相信M-理論是所有這些問題的答案，認為它具有終極理論所應該具有的所有性質。M理論結合了五種超弦理論和十一維空間的超引力理論，它預言，有許多從無到有被創造出來的宇宙，這些多重宇宙可以自然地因物理定律而產生。每一個宇宙在後期都有許多可能的歷史和可能的狀態。這些狀態中的大多數都將與我們所觀察到的宇宙大不相同，而且也不適合任何已知生命形式的存在。

N

1970年代初，霍金研究了黑洞的「無毛定理」，該定理指出，黑洞可以用三個數字來表徵——它們的質量、角動量和電荷。「毛髮」就是所有其他的有關於形成黑洞或墜入黑洞的物質的信息，這些信息都會消失在黑洞的事件視界之後，因此外部觀察者永遠無法獲得。物理學家約翰·惠勒用「黑洞無毛」來形容這個想法。

O

霍金在科學傳播上作出了巨大貢獻。他認為科學是一件可以被所有人理解的事，而不僅僅屬於專業從事科學工作的人。他身體力行地履行著他對科學的這一態度：他開展公開的科學演講，撰寫科普書籍，總是不遺餘力的推廣和傳播科學知識。他與他人合著過大量科學作品，包括《時空的大尺度結構》，《超空間與超重力》，《非常早期的宇宙》，以及《300年的萬有引力》等。正是這些科普書籍使霍金走出了學術界，成為家喻戶曉的科學家。出版於1988年的《時間簡史》是他的第一本科普書籍，在《星期日泰晤士報》的暢銷書排行榜上以創紀錄的237周蟬聯榜首。後來的暢銷書包括《黑洞、嬰兒宇宙及其他》、《果殼中的宇宙》、《我的簡史》等。他還與女兒露西合作，為孩子們寫了一系列關於一個名叫喬治的人物在太空中探險的科學書籍。

P

霍金曾說「哲學已死」，一石激起千層浪。他認為哲學家們「沒有跟上科學的現代發展」，而科學家在尋求知識的過程中，已經成為探索與發現的火炬傳遞者。他認為，哲學問題可以用科學來回答，特別是用新的科學理論來解答，並相信這些理論能引導我們對宇宙和我們在宇宙中的位置有一個全新的、截然不同的認識。

Q

量子引力是霍金的一個重要研究領域。若想要理解黑洞和宇宙學，發展量子引力理論是必須的。量子引力試圖把廣義相對論與量子力學的思想統一起來，這是一項尚未完成的浩大工程。從1973年開始，霍金開始了這方面的研究，他對黑洞的研究為這一探索開啟了新的篇章，他隨後的大部分成就也都集中在這些想法

R

霍金是一位無神論者，他相信宇宙是由科學規律所主宰的。他認為科學與宗教具有本質的區別，前者建立在觀察與理性之上，而後者建立在權威之上。霍金曾說：「我們每個人都可以自由地相信自己想要的相信的，對我來說最簡單的解釋就是沒有上帝。沒有人創造宇宙，也沒有人決定我們的命運。這使我深刻地認識到，天堂很可能不存在，來世亦是如此。我們只有這一次生命來欣賞宏偉的宇宙，對此，我非常感激。」

S

2016年，霍金和他的團隊提出，黑洞可能有由光子或引力子組成的「軟毛」，這些軟毛至少能存儲部分信息。這些軟毛環繞在黑洞事件視界的周圍。在他的最後一篇論文中，霍金和他的同事發現了一種能計算軟毛所能攜帶的信息量的機制，它與刻在霍金墓碑上的那個描述了霍金輻射的溫度公式相符。

T

1973年，霍金與巴丁、卡特和霍金一同寫了一篇題為《黑洞熱力學定律》的論文，將黑洞的研究總結為一系列與熱力學定律類似的定律。他們強調，黑洞的溫度為零，因為任何東西都無法逃離黑洞，輻射也如此，所以黑洞也就不可能有物理熵。在他們看來，將黑洞的力學定律與熱力學定律做類比是一種很有條理的形式。例如面積定理的形式就與熱力學第二定律非常相似：

熱力學第二定律說的是，系統的總熵永遠不會減小；而面積定理說的是，無論黑洞發生什麼，其事件視界的面積都永遠不會變小。之後，雅各布·貝肯斯坦意識到，黑洞的熵必須正比與面積才能挽救熱力學第二定律。霍金並不喜歡這個想法，於是開始著手計算，但他的結果卻證明了貝肯斯坦是對的，並且寫下了黑洞熵公式。

U

宇宙從何而來，又將往何處去？宇宙是無限大的，還是僅僅非常大？宇宙有一個開端嗎？如果有的話，在開端之前發生了什麼？這些永恆的大問題是霍金一直在思考的。1983年霍金和詹姆斯·哈特爾提出了一個具有影響力的想法——無邊界設想，無邊界設想描述了大爆炸發生時的情況，也就是愛因斯坦的相對論失效的地方。因此，它給我們提供了一種理解宇宙是如何形成的方式。為了描述大爆炸的物理條件，無邊界理論結合了廣義相對論和量子理論。它說的是，當我們回到宇宙的起點時，空間和時間會變得模糊，有點像地球表面的北極。因此，根據無邊界理論，詢問大爆炸之前發生了什麼是毫無意義的，因為那裡沒有可用的時間概念。這就像問北極在哪裡一樣。

V

在霍金逐漸失去聲音之後，最初他通過聳眉來選擇卡片上的字母。1986年，他收到了一個被稱為「均衡器」的電腦程式，只需按下開關，就可以從詞庫中選擇要用的短語、單詞或字母。一開始，霍金曾打趣這是個只能發出美式口音的程序，但當後來有其他的聲音版本出現時，他卻選擇保留了最初的聲音，他說他喜歡也認同這個聲音版本。當霍金的手還可以動時，每分鐘可以大約「說」出15個單詞。再後來，霍金的雙手逐漸失去了功能。到了2005年，他開始用臉頰肌肉的運動來控制通訊設備，一個單詞就需要耗費一分鐘的時間。英特爾公司的研究人員開發了一種能將他的大腦模式或面部表情轉化為激活開關的系統。系統中有大量論文和書面材料的輸入，並且還使用了一些單詞預測軟體，這讓霍金很快便適應了新的系統。

W

霍金於2018年3月14日去世，享年76歲。他的骨灰被安葬在威斯敏斯特大教堂的中殿，距離牛頓和達爾文的墓不遠。一塊青色板巖的墓碑上刻有他的生卒年份，還畫有一系列橢圓環繞而成的黑洞模型。除此之外，上面還寫著霍金輻射的溫度公式，它表達的是黑洞並不完全黑，而是會放出一種被稱為霍金輻射的光輝。在墓碑上用英文刻寫著「Here Lies What Was Mortal Of Stephen Hawking」，意為「史蒂芬·霍金的肉體安葬於此」。

X

天鵝座X-1是一個X射線源。1974年，人們已基本承認黑洞這一物理事實，只是還未能作出實際的天文觀測。天鵝座X-1就是一個重點懷疑對象，而霍金對此卻持懷疑態度。他與好友索恩打賭，若自己輸了，就幫對方訂閱一整年的成人雜誌《閣樓》，這一舉動引得外界紛紛關注。直到90年代，科學家證實了天鵝座X-1就是黑洞一事。霍金欣然接受賭輸的結果，並兌現了當初設下的賭注。如今，天文學家主要通過X-射線和引力波來尋找宇宙中的黑洞。

Y

霍金曾說過：「事實上，人類本身就是自然中的基本粒子。對支配萬物的自然定律和宇宙能有如此接近的理解，無疑是我們的一場勝利。我想分享我對這一追求的興奮與熱情。請記得仰望星空，不要只低頭看腳下。試著理解你所看到的東西，思考宇宙之所以存在的原因。請保持一顆好奇心，無論生活如何艱難，你總會找到自己的路和屬於你的成功。重要的是你不能放棄。」

Z

2006年，霍金曾表達他最想做卻又無法實現的願望之一就是去太空旅行。得知這一消息之後，維珍航空的理察·布蘭森提出了一次維珍銀河的免費飛往太空之旅，霍金立即欣然接受。在這趟飛越大西洋的飛行中，霍金體驗了25秒的零重力狀態，這至少讓他與自己飛向太空的願望稍稍近了一點。而這次零重力體驗，讓患有運動神經元疾病的霍金得以不受癱瘓的身體的限制，自由漂浮。

馬化騰：

霍金博士為我們展現了一個奇妙的世界。我幼年時喜歡遙望星空，對浩瀚宇宙的奧秘十分好奇。對於我這樣的天文愛好者來說，霍金關於宇宙種種問題的回答，很大程度滿足著我們的好奇心。但是，他帶給我們的遠遠不止於此。在我看來，霍金向我們展現了：一個現代人應該如何去思考、面對和創造未來；如何以赤子之心面對宇宙，在困境中不失去信心、樂觀以及對人類的愛；如何點燃自己的想像力與好奇心，成為照亮人類前進道路的亮光……這些都是他留給我們最好的禮物。

博科園-科學科普｜文: 萌大統領轉自: 原理/principia1687博科園-傳遞宇宙科學之美

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