霍金去世一周年:一文看透他的光輝人生

編者按：本文來自「騰訊科技」，作者：喬輝，36氪經授權轉發。

2018年3月14日，自愛因斯坦以來最有名氣的物理學家霍金在劍橋大學的家中安詳去世，享年76歲。今天是霍金去世一周年的紀念日，作為從小聽著他的故事長大的一代人，還是無比懷念，謹以此文表達對他的思念，也讓更多朋友了解他的成長簡史、成就簡史以及太空夢想。

霍金1942年1月8日出生於牛津，父親是畢業於牛津大學的熱帶病專家，母親也畢業於牛津大學，研究哲學、政治和經濟。

帥帥的父親抱著嬰兒時期的霍金

霍金出生這天正好是現代物理學的始祖——伽利略逝世300年的忌日。當然，他並沒有把這種巧合當成某種奇蹟，他曾經說：「我估計那一天還有其他20萬個嬰兒出生。」也許又是一次歷史巧合，3月14日又恰好是愛因斯坦的誕辰，不知道霍金在天有何感想。

一、求學經歷

霍金在17歲的時候進入了牛津大學，父親希望他學醫，因為學醫工作機會更多一些，但霍金卻對數學和物理充滿熱情，最終他以物理作為自己的專業。本科畢業後，他拿到了一等學位證進入劍橋大學深造。

12歲的霍金和1962年牛津大學畢業時的霍金。

在理論物理學中，有兩個最基本的方向：一個是研究微觀領域的粒子物理學，另一個是研究宏觀領域的宇宙學。當年，霍金覺得粒子物理學更像是給各種粒子分類，沒有一個統一的理論指導（當年還沒有粒子物理標準模型）。而宇宙學中，有現成的廣義相對論，於是他選擇了後者作為自己的研究方向。

在劍橋大學，有一位世界最著名的天文學家福雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）。霍金當時也是奔著霍伊爾去的，但未能如願以償。他的導師被指定為物理學家席艾瑪（Dennis W. Sciama）。事實證明，席艾瑪的帶學生風格更適合霍金。60年代和70年代初，他的大部分精力都是用來為他的學生營造一個理想的成長環境，把個人的研究放在了第二位，獲得的獎勵和榮譽更多的是他的學生，這樣的導師更符合蠟燭的精神：燃燒自己，照亮別人。除霍金外，席艾瑪還培養了諸如馬丁·裡斯（oMartin Rees）這樣的一大批世界頂級的天體物理學家和宇宙學家。

二、重要科學貢獻

1、奇性定理

1916年，在愛因斯坦廣義相對論剛剛提出後，德國數學家、天文學家史瓦西（K.Schwarzschild）就得到了愛因斯坦場方程的第一個嚴格解，即史瓦西外部解或史瓦西度規，也就是數學意義上的黑洞。

然而，現實中是否存在黑洞呢？當時科學界是存在很大爭議的。

1939年，美國「原子彈之父」奧本海默（J. Robert Oppenheimer）及其合作者研究了完全球對稱、密度均勻，沒有旋轉，沒有壓力的理想恆星的坍縮過程。在這種完全理想的前提下，恆星的質量大到一定程度，黑洞的形成是不可避免的，從而形成與外界宇宙隔離的視界（Horizon）。那麼，黑洞中心會形成什麼呢？奧本海默並沒有給出任何解釋。但他的方程卻暗示著，在黑洞的中心會形成體積無限小、密度無限大的奇點（Singularity）。

然而，奧本海默的模型太簡單了，現實中恆星多少都有旋轉，不可能完全不受幹擾保持完美球對稱。因此，任何非完美的恆星在坍縮的過程中，存在發生反彈的可能性，不會在中心形成奇點。關於這一點，前蘇聯物理學家慄弗席茲（Lifshitz）曾給出過證明。

1964年，英國數學物理學家彭羅斯（Roger Penrose）利用拓撲學的方法證明，無論有什麼幹擾，在坍縮黑洞的中心會不可避免地形成奇點，

1970年，霍金和彭羅斯證明，我們的宇宙在大爆炸的開端有一個時空奇點。

1970年，霍金和彭羅斯證明了，在廣義相對論的框架下，我們的宇宙在大爆炸的開端也有一個時空奇點，如果有一天再發生坍縮，必然在大擠壓中再次形成奇點。這就是著名的奇性定理（singularity theorems）。

2、霍金輻射

在大家心目中，黑洞是那種只吃不吐的引力怪物。沒有任何東西能夠逃脫黑洞的束縛，包括光線。上面的認識都是基於經典的廣義相對論，當考慮到量子場論效應時，頭腦中的觀念就要發生改變了。

霍金輻射示意圖

真空並不是完全的空，而是充滿了起伏不定的量子漲落，各種正、反虛粒子對不斷產生和湮滅。黑洞視界附近是一個危險的區域，通常那裡潮汐力很強，會把「虛粒子對」拉開一定距離，當「虛粒子對」得到足夠多的能量時，就會轉化為真實存在的實粒子，當處於視界外的粒子飛走時，就帶走了黑洞的能量，也是帶走了黑洞的質量。這樣，黑洞質量就會逐漸變小，該過程又稱為「黑洞蒸發」。

另一個等價的圖景：一個虛粒子帶正能量、一個帶負能量，負能量的粒子更容易被黑洞吞噬，留下正能量的粒子逃離黑洞，從而帶走能量和質量，黑洞因吞噬了負能量粒子而損失了能量和質量。這也是霍金在《時間簡史》中描繪的圖景。

根據霍金輻射的計算公式，黑洞的溫度與質量成反比，通常黑洞的溫度都是非常低的。太陽質量的黑洞，溫度只有60納開，這樣的黑洞從宇宙背景輻射吸收的能量要大於因輻射損失的能量，因此永遠不會蒸發掉。

理論上，月球質量的黑洞，其溫度和宇宙背景輻射的溫度相當，恰好能做到收支平衡。因此，可以想像，小質量的黑洞溫度會更高。如果粒子對撞機能產生黑洞的話，那麼會因霍金輻射而瞬間蒸發掉的，因此無需擔心那樣小的黑洞吞噬地球。

有理論推測，在宇宙大爆炸初期，會形成小質量的原初黑洞（Primordial black holes），這些小黑洞溫度很高，壽命相對較短，會釋放出高能伽馬射線。如果能探測到這種伽馬射線，就能驗證霍金輻射的存在。然而，到目前為止，還沒有得到令人信服的觀測證據，因此霍金也一直沒能獲得諾貝爾獎。

3、黑洞面積定理

1971年，霍金理論發現，當黑洞發生碰撞合併時，新形成黑洞的視界面積不能小於合併前黑洞視界面積之和。

2015年及其隨後幾次黑洞合併事件都驗證了黑洞面積定理的正確性。

2015年9月14日，物理學家首次探測到來自14億光年外兩顆黑洞碰撞產生的引力波，兩顆黑洞的初始質量分別為29顆太陽質量和36顆太陽質量，合併形成黑洞的質量為62顆太陽質量，損失的3顆太陽質量以引力波的形式釋放到宇宙空間。

根據廣義相對論，黑洞的視界半徑與質量成正比，因此黑洞的視界面積與質量的平方成正比。簡單的計算就會發現，合併形成的黑洞的視界面積大於合併之前兩顆黑洞視界面積之和。後續的幾次黑洞合併事件，也都沒違反黑洞面積定理。該定理為黑洞合併產生引力波的效率設定了上限。

曾經有人預測，霍金會因這項工作榮獲諾貝爾獎，但直到去世都沒能獲得這一殊榮。

4、無邊界宇宙模型

1981年，霍金在梵蒂岡召開的一次學術會上提出一個猜想：宇宙沒有邊界，也沒有開始和結束。1983年，他與吉姆·哈特爾（Jim Hartle）利用量子力學和廣義相對論嚴格論證了他的這個猜想。他們認為，在宇宙大爆炸之前，時間是不存在的，談論宇宙何時開始沒有意義。宇宙大爆炸經典模型中的「奇點」被像北極那樣的點代替。雖然人們抵達北極後再也無法繼續往北前進，但那裡並不存在真正的邊界。

三、霍金的科普成就

1982年，霍金首次打算寫一本有關宇宙方面的科普讀物，有部分原因是為女兒掙一部分學費，主要還是為了向大眾普及宇宙學方面的最新進展。經過幾年的努力，期間經歷了很多曲折，1988年4月《時間簡史》首先在美國出版，首次印刷了4萬冊，很快就供不應求，出版社趕緊加印，據說夏天還沒過完，在美國就賣出了50萬冊。當年6月，開始在英國出版，幾天之內，在倫敦被搶購一空，高居暢銷書排行榜首位。

1988年6月6日霍金接受美國廣播公司採訪。

在隨後的這些年，《時間簡史》被翻譯成不下40種文字，全球的累計銷量早已超過1000萬冊。

霍金曾說：「一本科學方面的書籍能和明星的回憶錄競爭，也許這樣人類才有希望。我很高興這本書能為一般大眾所接受，而不僅僅是學者。當今時代，科學起了巨大的作用，所以我們每個人對於科學是什麼都應該有一些概念，這是非常重要的。」

除了《時間簡史》之外，霍金還寫了大量的科普書籍向公眾進行科學宣傳。例如：《時空本性》、《果殼中的宇宙》以及《大設計》等等一些優秀作品。

四、霍金的太空夢想

1、乘坐「零重力」公司的飛機體驗失重

2007年4月26日，霍金搭乘「零重力」公司的飛機在大西洋上空體驗失重。

2007年4月26日，霍金搭乘「零重力」（Zero-G）公司的飛機在大西洋上空進行了失重體驗。

醫護人員將霍金扶到飛機的前排，讓他背靠一塊特殊的泡沫枕墊。然後，飛機上衝到萬米高空，再急速俯衝回距離地面七千米處，使霍金和其他乘客體驗一次25秒的失重狀態。霍金這次探險，共完成了8次俯衝，累計3分20秒的失重狀態。

飛行前，霍金在接受記者採訪時說：「你可以想像，我非常興奮，在輪椅上呆了差不多四十年，現在能夠體驗零重力飛行真是太好了。」

2014年霍金在與國際空間站太空人對話時說：「2007年，我有幸搭乘「零重力」航班體驗了失重飛行，對我來說那才是真正的自由。熟悉我的人都說從未看到過我如此燦爛的笑容，在那短暫的幾分鐘裡，我是超人。像你們這樣能當6個月的超人，我只能想像了。」

2、參與突破計劃

2015年7月20日（阿波羅登月紀念日），俄羅斯投資人尤裡o米爾納（Yuri Milner）向公眾宣布「突破聆聽計劃」（Breakthrough Listen），旨在通過全球頂級的射電和光學望遠鏡發現外星人存在的信號。該計劃還有一封由著名科學家籤名的公開信，包括霍金。霍金說「宇宙中，一定存在其他生命，現在是尋找答案的時候了，沒有比這更重要的事情。」

2016年4月12日，霍金親臨現場為「突破攝星」計劃站臺。

2016年4月12日，尤裡o米爾納又宣布了「突破攝星計劃」 （Breakthrough Starshot）。霍金親臨現場為該計劃站臺助威。

該計劃設想在地面上建設雷射陣列，然後利用雷射產生的光壓推動極薄、極輕的光帆高速前進，在200萬千米的距離上完成加速過程，並使光帆的速度達到光速的20%！以這樣的高速奔向最近的半人馬座阿爾法恆星系統（4.3光年）僅需20年。

尤裡o米爾納在展示攝星計劃中的晶片模型。

光帆攜帶一個釐米大小的晶片，小小的晶片上面集成有核電池、微處理器、導航系統、通信系統、以及高清相機等等，真可謂是「麻雀雖小，五臟俱全」，是一枚真正的探測器。為了節約加速能量，光帆和晶片的質量限制在克量級。光帆和微晶片的組合體可以成群地運行在地球軌道上，等待雷射陣列的加速一個個奔向深空。

「突破攝星」計劃的光帆飛行器需要強勁的地面雷射陣列供能。

當然，這個激進的設想給當前人類的科技水平提出了很大的挑戰！雷射器的連續輸出功率要求為100吉瓦（1億千瓦），相當於五個三峽水電站的輸出功率。這樣強大的雷射對光帆來說簡直是噩夢，在承受極大光壓的同時，還要承受極高的溫度。抵達目標後，微晶片探測器想要把信息發回4.3光年之遙的地球並接收難度極大，因為晶片的發射功率實在有限。

我們知道，霍金為人類的命運操碎了心，他一直鼓勵像這種前瞻性的研究，鼓勵人類探索宇宙的嘗試。但願該計劃進展順利，讓我們這代人有機會目睹奇蹟的發生吧。

五、霍金與中國

1985年，霍金分別在中國科學技術大學和北京師範大學做了科學演講。那次，他首次登上了長城，成為了他一生難忘的旅途記憶。

2002年，霍金再次到北京參加國際數學家大會，並再次登上長城。

2006年6月18日，霍金來到天壇祈年殿前靜靜的坐在輪椅上與天地對話。

2006年，霍金第三次到北京參加國際弦論大會，並在人民大會堂做了「宇宙的起源」為題公開演講。

霍金在2017年騰訊WE大會上做視頻演講。

2017年，霍金「現身」在北京舉辦的騰訊WE大會。由於他行動不便，騰訊專門派了一個團隊前往劍橋大學，提前錄製了霍金的演講，在大會現場作為開場視頻與大家分享。

霍金去世後，他的愛女露西·霍金（Lucy Hawking）繼續延續父親的科普事業。2019年，露西·霍金出現在首屆「騰訊青少年科學小會」上，並做了《想像力是推動科學進步的原動力》為主題的精彩演講，並給現場的熱愛科學的青少年們進行了答疑解惑。

霍金的一生是與病魔抗爭的一生，是仰望星空的一生。借他2006年接受央視採訪時說過的一段話作為本文的結束：「雖然我的身體條件有限，但我的思想能夠自由探索宇宙，回到時間的起點和深入黑洞當中，人類的探索精神無極限。