作者 卞毓麟（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)客座研究員)
責(zé)編 許嘉芩 劉愈
“輪椅上的天才”斯蒂芬·霍金舉世聞名。他在宇宙學(xué)和黑洞研究方面取得的成果令各國(guó)科學(xué)家贊嘆不已，人們甚至稱他為“當(dāng)今的愛(ài)因斯坦”。他的科普名著《時(shí)間簡(jiǎn)史》被翻譯成不下40種文字，在全球的累計(jì)銷量早已超過(guò)1000萬(wàn)冊(cè)。他年輕時(shí)已身染肌萎縮性側(cè)索硬化癥，醫(yī)生認(rèn)為他只剩下了兩年時(shí)間。可是，他不僅又活了20多個(gè)兩年，而且在2006年6月第三次來(lái)華進(jìn)行學(xué)術(shù)活動(dòng)，甚至興致勃勃地游覽了天壇?！短煳膼?ài)好者》雜志隨即邀請(qǐng)本書作者撰寫這篇長(zhǎng)文，從2006年9月開(kāi)始連載。今稍作修訂，收錄如次。
華茲華斯緣
科學(xué)技術(shù)和文學(xué)藝術(shù)一樣，不能沒(méi)有浪漫的想象。
18世紀(jì)后期，英國(guó)出現(xiàn)了以“湖畔詩(shī)人”華茲華斯、柯?tīng)柭芍魏万}塞為代表的第一代浪漫主義作家。他們生活的時(shí)代，大致同熱衷于發(fā)現(xiàn)小行星的德國(guó)人奧伯斯以及計(jì)算出天王星運(yùn)動(dòng)反常的法國(guó)人布瓦爾相當(dāng)。19世紀(jì)初，拜倫、雪萊和濟(jì)慈成了英國(guó)第二代浪漫主義詩(shī)人的典范。
華茲華斯在凝視牛頓的半身塑像時(shí)，吟出了日后傳誦全球的名句：
“這大理石標(biāo)志的心靈，
在奇妙的思維之海上永遠(yuǎn)航行，
永遠(yuǎn)，永遠(yuǎn)，
獨(dú)自向前?！?/p>
▲英國(guó)劍橋大學(xué)三一學(xué)院的牛頓像
今天，無(wú)論是親眼目睹斯蒂芬·威廉·霍金的容貌，還是注視他在各種媒體上的形象，都會(huì)使我們想起華茲華斯贊頌牛頓的這首詩(shī)。
按照格里歷——即現(xiàn)行的公歷，牛頓是1643年1月4日出生的。但是，英國(guó)遲至1752年9月4日才開(kāi)始采用公歷。依照舊歷——即儒略歷，牛頓的生日乃是1642年的圣誕節(jié)。整整3個(gè)世紀(jì)后，霍金在英國(guó)出生。他的生日是1942年1月8日，那天恰逢天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者伽利略逝世300周年。當(dāng)時(shí)第二次世界大戰(zhàn)正酣，霍金的母親為躲避德軍的轟炸而暫離倫敦，在牛津生下了他。
父親希望霍金學(xué)醫(yī)，但他本人向往數(shù)學(xué)和物理。他于1959年進(jìn)入牛津大學(xué)，在物理學(xué)上大為領(lǐng)先，以至于不太相信某些標(biāo)準(zhǔn)教材上所講的內(nèi)容。有一次，輔導(dǎo)老師帕特里克·桑德斯從一本教材中摘了一些題目讓學(xué)生課后思考。在下一次輔導(dǎo)課上，霍金卻說(shuō)他沒(méi)法解這些題目。當(dāng)老師問(wèn)其緣故時(shí)，他卻用20分鐘指出了那本教材上的所有錯(cuò)誤。
在大學(xué)時(shí)代，霍金花在學(xué)習(xí)上的時(shí)間不多。他覺(jué)得自己那時(shí)給人的印象是：一個(gè)懶散、差勁的學(xué)生，不愛(ài)整潔，愛(ài)玩，愛(ài)喝酒，學(xué)習(xí)不認(rèn)真。不過(guò)，他低估了人們對(duì)其才能的高度評(píng)價(jià)。他在大學(xué)的最后一次、也是最重要的一次考試，得分介乎第一等和第二等之間。為此，主考官們決定再對(duì)他進(jìn)行一次面試。在面試中，他們讓霍金談?wù)勎磥?lái)的計(jì)劃。他答道：“如果你們給我評(píng)第一等，我將去劍橋；如果我得第二等，我將呆在牛津。所以，我希望你們給我第一等?！?/p>
考官們成全了他。1962年10月，霍金從牛津到劍橋，意在成為英國(guó)當(dāng)時(shí)最有名望的天文學(xué)家和宇宙學(xué)家弗雷德·霍伊爾的研究生。然而，霍伊爾的學(xué)生太多了，霍金遂被指派給了丹尼斯·西阿瑪。
▲霍金的導(dǎo)師、英國(guó)著名理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家丹尼斯·西阿瑪（1926-1999年）
“我從沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)他。但那也許是最好的事情?；粢翣柦?jīng)常出門，很少在系里，我不會(huì)引起他更多的注意。而西阿瑪總在身旁，隨時(shí)找我們談話。他的許多觀點(diǎn)我都不贊同，但它們激發(fā)了我去發(fā)展自己的理論圖景?！?/p>
這番話，是2002年1月在劍橋大學(xué)隆重慶祝霍金60歲生日的報(bào)告會(huì)上，霍金親口講的。這次會(huì)上的報(bào)告者都是大師級(jí)的人物：馬丁·里斯講“復(fù)雜的宇宙及其未來(lái)”，詹姆斯·哈特爾講“萬(wàn)物之理和霍金的宇宙波函數(shù)”，羅杰·彭羅斯講“時(shí)空奇點(diǎn)問(wèn)題：意味著量子引力嗎？”，基普·索恩講“彎曲的時(shí)空”?；艚鸨救酥v的題目是“果殼里的60年”，正文前的引語(yǔ)，便出自華茲華斯的長(zhǎng)詩(shī)《序曲》：
“一個(gè)自在的心靈，永遠(yuǎn)
航行在奇妙的思想海洋?！?/p>
這些演講于2003年結(jié)集出版，書名為《理論物理學(xué)和宇宙學(xué)的未來(lái)》。2005年，該書的中譯本面世，書名徑易為《果殼里的60年》。
目前，霍金在劍橋的寓所是華茲華斯小樹(shù)林23號(hào)，看來(lái)他與華茲華斯真是有緣。
▲霍金的居所華茲華斯小樹(shù)林23號(hào)
霍金昔日的學(xué)生吳忠超教授攝
可怕的ALS
西阿瑪是一名非常優(yōu)秀的科學(xué)家，一位出色的導(dǎo)師。他早期帶領(lǐng)的學(xué)生，后來(lái)幾乎都成了宇宙學(xué)領(lǐng)域中的明星：上面提到的馬丁·里斯后來(lái)成了皇家天文學(xué)家；喬治·埃利斯曾與霍金合著《時(shí)空的大尺度結(jié)構(gòu)》一書——此書是題獻(xiàn)給西阿瑪?shù)?，被人們推崇為“相?duì)論性宇宙論的《圣經(jīng)》”；布朗頓·卡特成了巴黎天文臺(tái)的科研主管；霍金本人則于1979年37歲時(shí)成了劍橋大學(xué)的盧卡斯講席數(shù)學(xué)教授。
當(dāng)初，牛頓是在1669年27歲時(shí)，繼他的老師巴羅之后當(dāng)上劍橋大學(xué)盧卡斯講席數(shù)學(xué)教授的。該職位由一個(gè)姓盧卡斯的人出資設(shè)立，故此命名?；艚饘?duì)這個(gè)職位頗為在意，自牛頓以來(lái)的300年間曾擔(dān)任過(guò)該講席教授的所有人名——例如量子力學(xué)的奠基人之一狄拉克，他都記得一清二楚。
對(duì)霍金來(lái)說(shuō)，被指派作為西阿瑪?shù)难芯可?，不僅不是災(zāi)難，而且是一種福分。但是另一方面，在牛津的最后一段時(shí)間里，他終身的災(zāi)難卻已經(jīng)初露端倪。霍金感到自己系鞋帶有困難了，腿不太聽(tīng)使喚，走路老是撞上別的東西，講話有時(shí)發(fā)音含混，不過(guò)他什么也沒(méi)有告訴別人。
1962年底，霍金從劍橋回家同父母一起過(guò)圣誕節(jié)。除夕夜，他們家舉行晚會(huì)。應(yīng)邀前來(lái)的有一位名叫簡(jiǎn)·懷爾德的姑娘。她覺(jué)得霍金很有魅力，很快就被他吸引住了。然而，也就在那次晚會(huì)上，親友們發(fā)現(xiàn)他竟然連倒酒都有困難了，大部分酒都倒在桌布上。這真是一種不祥之兆。
1963年1月，霍金回到劍橋，被送進(jìn)醫(yī)院做一系列檢查，診斷結(jié)果是他患上了“肌萎縮性側(cè)索硬化癥”。國(guó)際上此病的學(xué)名叫amyotrophic lateral sclerosis，簡(jiǎn)稱ALS。該病又叫盧伽雷病，因美國(guó)歷史上著名的棒球手盧伽雷患有此病而得名。在英國(guó)，這種病常稱為“運(yùn)動(dòng)神經(jīng)癥”。此病很罕見(jiàn)，且無(wú)法治愈。它會(huì)影響脊椎神經(jīng)索和影響控制運(yùn)動(dòng)功能的那部分腦，但是，思維和記憶之類的高級(jí)功能卻不會(huì)受影響。這種病通常以手肌無(wú)力和萎縮為首發(fā)癥狀，病程晚期出現(xiàn)舌肌萎縮和震顫，構(gòu)音不清，吞咽困難，飲水嗆咳等。患者身體會(huì)逐漸殘廢，最后常因呼吸困難、肺部感染、全身衰竭而死亡。該病沒(méi)有痛楚，但在疾病的最后階段醫(yī)生仍會(huì)用嗎啡來(lái)緩解病人的慢性抑郁癥。
醫(yī)生曾說(shuō)霍金：還有兩年時(shí)間。有一段時(shí)間，霍金陷于深深的絕望之中。他喝酒，整天聽(tīng)瓦格納的音樂(lè)。后來(lái)他曾表示，“他（瓦格納）的樂(lè)曲風(fēng)格和我陰暗的情緒相投”。
▲德國(guó)作曲家瓦格納（1813-1883年）?；艚鹨簧己芟矚g他的音樂(lè)作品
那時(shí)，他做了一些痛苦的夢(mèng)，多次夢(mèng)見(jiàn)自己將被處死。但他后來(lái)想到，倘若自己被判了死刑緩期執(zhí)行，那么還是可以做很多值得做的事情：“如果我反正終將死去，那不妨做些好事?！?/p>
霍金從極度沮喪中回到學(xué)業(yè)上來(lái)之后，他父親曾經(jīng)找西阿瑪商量：斯蒂芬是否有可能在短于3年的時(shí)間內(nèi)獲得博士學(xué)位，因?yàn)樗峙禄畈坏?年了。然而，這位導(dǎo)師的回答是：“不。” 西阿瑪也許比任何人都了解自己這個(gè)學(xué)生的能力，但他不能因?yàn)榛艚鸲淖冊(cè)瓌t。西阿瑪曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“我知道斯蒂芬有病，但我對(duì)他和其他同學(xué)一視同仁”，而霍金本人所希望的也正是如此。
簡(jiǎn)的出現(xiàn)，是霍金生活的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。她使霍金振作起來(lái)，重新樹(shù)立生活和學(xué)習(xí)的決心。1964年10月的一個(gè)周末，霍金在劍橋向簡(jiǎn)求婚，簡(jiǎn)立即同意了。那時(shí)，霍金走路已經(jīng)不得不借助于拐杖，但他決不向疾病低頭。
霍金很幸運(yùn)，不久又遇到了杰出的青年數(shù)學(xué)家羅杰·彭羅斯。彭羅斯幫他解決了研究中的一個(gè)難題，這不僅使他的博士論文得以順利完成，而且將他直接帶領(lǐng)到了理論物理學(xué)研究的前沿陣地。
情鐘宇宙學(xué)
霍金就讀牛津大學(xué)物理系時(shí)的指導(dǎo)老師是羅伯特·伯曼教授。他認(rèn)識(shí)到霍金是一個(gè)天才，并曾這樣談?wù)摶艚穑?br>
“他顯然是我所教過(guò)的學(xué)生中最聰明的?！薄盎艚鸩粌H聰明，甚至不能用聰明來(lái)衡量。按照正常的標(biāo)準(zhǔn)，不能說(shuō)他非常用功，因?yàn)檫@實(shí)在沒(méi)有必要?！蚁胛艺嬲淖饔弥皇潜O(jiān)督他學(xué)習(xí)物理的進(jìn)度。我不能自夸曾經(jīng)教過(guò)他什么東西。”
大學(xué)畢業(yè)時(shí)，霍金覺(jué)得，在當(dāng)時(shí)理論物理學(xué)的兩個(gè)重要研究方向——宇宙學(xué)和基本粒子物理學(xué)中，宇宙學(xué)對(duì)他具有更大的吸引力。這是因?yàn)橛钪鎸W(xué)已經(jīng)具有一個(gè)明確的理論框架，即愛(ài)因斯坦建立的廣義相對(duì)論。而另一方面，當(dāng)時(shí)的基本粒子物理學(xué)卻缺乏某種合適的理論框架。物理學(xué)家們不斷地發(fā)現(xiàn)新的粒子，然后就像植物學(xué)那樣進(jìn)行分類，霍金覺(jué)得這很乏味。
“宇宙學(xué)”這門學(xué)科，是把整個(gè)宇宙看作一個(gè)整體，來(lái)探索它的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、起源和演化。古人的地心宇宙體系，是早期宇宙學(xué)的主要成果。16世紀(jì)，哥白尼提出了日心宇宙體系，使人們認(rèn)識(shí)到地球并不是宇宙的中心。18世紀(jì)，英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)在銀河系中不停地運(yùn)動(dòng)著，因此太陽(yáng)也不是什么宇宙的中心。20世紀(jì)初，美國(guó)天文學(xué)家沙普利證明，太陽(yáng)并不在銀河系的中心，而是比較靠近銀河系的邊緣。20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家哈勃開(kāi)創(chuàng)星系天文學(xué)，證明了銀河系只是宇宙間無(wú)數(shù)星系中的一員。就這樣，人類的視野擴(kuò)展到了越來(lái)越遙遠(yuǎn)的太空深處。如今人類觀測(cè)到的宇宙范圍約為140億光年。
在理論方面，牛頓在300多年前，已將他發(fā)現(xiàn)的力學(xué)定律和萬(wàn)有引力定律用于探討整個(gè)宇宙的行為，這使宇宙學(xué)成了一門真正的近代科學(xué)。1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了關(guān)于時(shí)間、 空間和引力的一種嶄新的理論——廣義相對(duì)論。根據(jù)這種理論，可以推算宇宙作為一個(gè)整體所具有的結(jié)構(gòu)和特征。因此，人們通常說(shuō)愛(ài)因斯坦開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)。
同許多別的學(xué)科一樣，現(xiàn)代宇宙學(xué)也有不同的學(xué)派，產(chǎn)生了各種不同的理論。這些理論，都必須不斷經(jīng)受天文觀測(cè)事實(shí)的檢驗(yàn)。能和新的觀測(cè)結(jié)果相吻合的理論，將會(huì)獲得新的生命力；和新的觀測(cè)結(jié)果相矛盾的理論就難免衰落乃至消亡。
1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)幾乎所有的星系都正在遠(yuǎn)離我們而去，而且離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系遠(yuǎn)去的速度就越快。哈勃的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，奠定了現(xiàn)代觀測(cè)宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。不久，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓指出，哈勃的發(fā)現(xiàn)正好證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的幾種可能性之一：宇宙在膨脹！
我們的宇宙正處在一種宏偉的整體膨脹之中，這使得所有的星系不僅僅是遠(yuǎn)離我們而去，實(shí)際上它們相互之間全都在彼此遠(yuǎn)離。你到任何一個(gè)星系上去，都會(huì)看到同樣的情景。這有如一只鑲嵌著許多葡萄干的面包正在不停地膨脹，面包中所有的葡萄干就會(huì)彼此離得越來(lái)越遠(yuǎn)。
宇宙膨脹這一嶄新的科學(xué)思想深深動(dòng)搖了宇宙靜止不變的陳舊觀念，它是20世紀(jì)科學(xué)中意義最為深遠(yuǎn)的杰出成就之一。問(wèn)題是：造成這種膨脹的原因是什么？這種膨脹究竟始于何時(shí)？
可以想像，既然星系都在彼此四散分離，那么回溯過(guò)去，它們就必然比較靠近。如果回溯得極為古遠(yuǎn)，那么所有的星系就會(huì)緊緊地?cái)D在一起。人們自然會(huì)想：我們的宇宙也許就是從那時(shí)開(kāi)始膨脹而來(lái)，也許那就是我們這個(gè)宇宙的開(kāi)端。
首先這樣描繪宇宙開(kāi)端的是比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特，他設(shè)想那個(gè)極其致密的原始天體在一場(chǎng)無(wú)與倫比的爆發(fā)中爆炸了，爆炸的碎片后來(lái)成了無(wú)數(shù)個(gè)星系，它們至今仍在繼續(xù)向四面八方飛散開(kāi)去。1948年，美籍俄裔物理學(xué)家蓋莫夫繼承并發(fā)展了這種想法。他計(jì)算了那次爆炸的溫度，計(jì)算了應(yīng)該有多少能量轉(zhuǎn)化成各種基本粒子，進(jìn)而又怎樣變成了各種原子，等等。后來(lái)，人們把最初那個(gè)爆發(fā)性的開(kāi)端稱為“大爆炸”，這種理論則稱為大爆炸宇宙論。
▲大爆炸和宇宙演化示意圖。圖的頂部象征著大爆炸，右側(cè)的一列數(shù)字代表從大爆炸起算所經(jīng)歷的時(shí)間，左邊的文字表示相應(yīng)于這些時(shí)刻宇宙中出現(xiàn)的物體
幾十年來(lái)，大爆炸宇宙論成功地解釋了眾多的天文觀測(cè)事實(shí)，因而成為當(dāng)代最有影響的一種宇宙理論。與此同時(shí)，它也依然面臨著不少尚待解決的新難題。為此，人們從20世紀(jì)80年代初以來(lái)，先后提出了一系列新奇的思想：暴漲宇宙、量子宇宙、弦論、超引力、萬(wàn)物至理、M-理論、膜世界等等。在宇宙學(xué)家們的這些戰(zhàn)役中，身殘志堅(jiān)的霍金乃是一位斗志昂揚(yáng)的領(lǐng)軍人物，后文還會(huì)再次談到這一點(diǎn)。
黑洞和奇點(diǎn)
霍金真正的研究工作是從黑洞和奇點(diǎn)開(kāi)始的。“黑洞”這個(gè)名稱，起初由美國(guó)著名物理學(xué)家約翰·惠勒于1969年正式提議使用。那么，究竟什么是“黑洞”呢？
“黑洞”這個(gè)名稱的第一個(gè)字“黑”，表明它不向外界發(fā)射和反射任何光線或其他形式的電磁波。因此人們無(wú)法看見(jiàn)它，它是“黑”的。第二個(gè)字“洞”，是說(shuō)任何東西只要一進(jìn)入它的邊界，就休想再溜出去了，它活像一個(gè)真正的“無(wú)底洞”。
假如用一盞威力巨大的探照燈向黑洞照去，它是不是就原形畢露了？不。射向黑洞的光無(wú)論有多強(qiáng)，都會(huì)被黑洞全部“吞噬”，不會(huì)有一點(diǎn)反射?！岸础敝昂凇币廊蝗绻?。
黑洞并非科學(xué)家們?cè)谝灰怪g突然想到的。早在1798年，法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯就根據(jù)牛頓的力學(xué)理論推測(cè)：“一個(gè)密度像地球、直徑為太陽(yáng)250倍的發(fā)光恒星，在其引力作用下，將不允許它的任何光線到達(dá)我們這里。”對(duì)這些話，可以作如下的理解——
宇宙飛船要脫離地球進(jìn)入行星際空間，速度至少要達(dá)到11.2千米/秒，否則它就擺脫不了地球引力的束縛。這11.2千米/秒的速度，就是一個(gè)物體從地球引力場(chǎng)中“逃逸”出去必須具備的最低速度，稱為地球的“逃逸速度”。太陽(yáng)的引力比地球強(qiáng)得多，因此太陽(yáng)的逃逸速度要比地球的大得多，等于618千米/秒。如果一個(gè)天體的逃逸速度達(dá)到或超過(guò)了光速，那么就連光線也不可能逃逸出去了。這樣的天體就是黑洞。宇宙間沒(méi)有任何物體的速度能超過(guò)光速。既然連光都逃不出黑洞，那么其他一切東西當(dāng)然也就逃不出去了。
隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)逐漸深入。如今，關(guān)于黑洞的更正確的說(shuō)法是：“黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種特殊天體，它的基本特征是有一個(gè)封閉的邊界，稱為黑洞的‘視界’；外界的物質(zhì)和輻射可以進(jìn)入視界，視界內(nèi)的東西卻不能逃逸到外面去?！?/p>
▲人們經(jīng)常用這種圖示來(lái)解釋廣義相對(duì)論：放在有彈性的橡皮布上的重物，代表一顆恒星或整個(gè)星系，橡皮布上的網(wǎng)格代表4維時(shí)空。重物的質(zhì)量越大，時(shí)空就凹陷得越深，從重物近旁經(jīng)過(guò)的東西也越難逃脫落到該重物上的厄運(yùn)
因此，黑洞的視界宛如一道單向的邊界，人們有時(shí)稱之為“單向膜”，進(jìn)入視界的光或任何物體都不能復(fù)出。
黑洞是看不見(jiàn)的。然而，天文學(xué)家推測(cè)，在X射線波段仍有可能探測(cè)到雙星系統(tǒng)內(nèi)的黑洞。因?yàn)楫?dāng)一顆正常恒星的外層物質(zhì)流向它的大質(zhì)量致密伴星時(shí)，這些物質(zhì)就會(huì)形成一個(gè)發(fā)出X射線的吸積盤。倘若這個(gè)大質(zhì)量伴星是一顆中子星，那么當(dāng)吸積盤中的物質(zhì)最終撞向這顆中子星的固態(tài)表面時(shí)，就會(huì)發(fā)出更多的高能X射線。但是，倘若大質(zhì)量伴星是一個(gè)黑洞，那么當(dāng)吸積盤中的物質(zhì)非常接近黑洞的視界時(shí)，所發(fā)出的大部分X射線就都將掉進(jìn)這個(gè)黑洞。這說(shuō)明，由于視界的限制，黑洞雙星的X射線輻射要比中子星雙星暗得多。
▲在觀測(cè)兩類不同的X射線雙星時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)其中之一（大質(zhì)量伴星是中子星）的亮度要比另一種（大質(zhì)量伴星是黑洞）的亮上百倍
黑洞這種“只進(jìn)不出”的秉性，使它有了一個(gè)不雅的外號(hào)：“太空中最自私的怪物”。但是，20世紀(jì)70年代，以霍金為首的一些學(xué)者基于量子理論，對(duì)黑洞作了更縝密的考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑洞還具有另一種出乎始料的特征，即它會(huì)像“蒸發(fā)”那樣穩(wěn)定地向外發(fā)射粒子?？紤]到這種“蒸發(fā)”，黑洞就不再是絕對(duì)“黑”的了。
霍金還證明，每個(gè)黑洞都有一定的溫度，而且溫度的高低和黑洞的質(zhì)量成反比。也就是說(shuō)，大黑洞的溫度很低，蒸發(fā)也很微弱；小黑洞的溫度很高，蒸發(fā)也很強(qiáng)烈，類似劇烈的爆發(fā)。一個(gè)質(zhì)量像太陽(yáng)那么大的黑洞，大約需要1066（即“1”后面跟著66個(gè)“0”）年才能蒸發(fā)殆盡；但是質(zhì)量和一顆小行星相當(dāng)?shù)男『诙?，卻會(huì)在10-22（小數(shù)點(diǎn)后面21個(gè)“0”再跟上一個(gè)“1”）秒內(nèi)蒸發(fā)得干干凈凈。
今天我們知道，所有這些，在研究天體和宇宙的起源和演化時(shí)，都具有非同尋常的重要性?；叵氘?dāng)初，卻是西阿瑪和彭羅斯將霍金引上了通向黑洞之路。事情的起因是——
西阿瑪經(jīng)常安排學(xué)生參加重要的學(xué)術(shù)活動(dòng)。1964年，也就是霍金取得博士學(xué)位的前一年，在倫敦舉行的一次研討會(huì)上，彭羅斯介紹了自己用新的數(shù)學(xué)方法證明了：如果一顆恒星在自身引力作用下最終坍縮成為一個(gè)黑洞，那就必然會(huì)存在奇點(diǎn)。
“奇點(diǎn)”究竟是什么東西？一般說(shuō)來(lái)，在數(shù)學(xué)上，奇點(diǎn)是數(shù)學(xué)函數(shù)無(wú)法定義的點(diǎn)，在該點(diǎn)函數(shù)值發(fā)散至無(wú)窮大。而在廣義相對(duì)論中，奇點(diǎn)是時(shí)空的一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中時(shí)空彎曲得如此厲害，甚至廣義相對(duì)論中的定律都不再有效。
▲黑洞和奇點(diǎn)的藝術(shù)創(chuàng)意圖，其中奇點(diǎn)被描繪成黑洞深處的一個(gè)黑點(diǎn)。圖中共畫出五條光線，外面的三條因受黑洞的引力作用而依次彎曲得越來(lái)越厲害，但最終都還是離開(kāi)了。第四條光線恰好處于既未落入黑洞、又不能遠(yuǎn)走高飛的臨界狀態(tài)，它將長(zhǎng)久地繞著這個(gè)黑洞打轉(zhuǎn)。最里面的第五條光線完全被黑洞俘獲，永遠(yuǎn)不能復(fù)出
霍金認(rèn)真思考了彭羅斯的工作，若有所悟。他對(duì)西阿瑪說(shuō)：“如果把彭羅斯的‘奇點(diǎn)理論’用到整個(gè)宇宙上，而不僅僅用在黑洞里，那又會(huì)發(fā)生什么事情呢？”
西阿瑪意識(shí)到霍金的想法非同尋常，十分贊同就將它作為霍金的博士論文題目。這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但困難正好激發(fā)了霍金的興趣和熱情。正如他后來(lái)所說(shuō)的那樣：“我一生中第一次開(kāi)始努力工作。出乎意料的是，我發(fā)現(xiàn)自己喜歡它?！?/p>
霍金努力學(xué)習(xí)有關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，奮戰(zhàn)幾個(gè)月完成了這篇博士論文。論文的精華，是得出了非常重要的結(jié)論：如果廣義相對(duì)論是正確的，那么過(guò)去必然曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)奇點(diǎn)，這就是時(shí)間的開(kāi)端。這個(gè)奇點(diǎn)之前存在的任何事物，都不能被認(rèn)為是這個(gè)宇宙的一部分。
通過(guò)答辯，23歲的斯蒂芬成了霍金博士。接著，他成為劍橋大學(xué)岡維爾-凱斯學(xué)院的研究員。從1966年起，著名科學(xué)史家、漢學(xué)家李約瑟出任該學(xué)院的院長(zhǎng)，直至1976年退休。1977年，霍金升任教授。
在宇宙學(xué)的星空中，霍金這顆超新星的能量和光輝簡(jiǎn)直令人目瞪口呆。
面積定律
1965年7月14日，霍金和簡(jiǎn)登記結(jié)婚。翌日，他們?cè)趧虼髮W(xué)三一學(xué)院的一個(gè)教堂舉行婚禮。
▲斯蒂芬·霍金和簡(jiǎn)·懷爾德的婚禮照?；艚鹕磉吺撬母改?，簡(jiǎn)的身旁是她的雙親
婚后一個(gè)星期，霍金接到邀請(qǐng)，出席美國(guó)康內(nèi)爾大學(xué)舉辦的一次學(xué)術(shù)會(huì)議。簡(jiǎn)隨同前往，目睹了理論物理學(xué)家們高度抽象的思維方式，以及他們之間的激烈爭(zhēng)辯。在這種場(chǎng)合下，他們的妻子很容易就被忽視了。簡(jiǎn)不由得產(chǎn)生了這樣的感覺(jué)：“物理學(xué)似乎以這種或那種方式使物理學(xué)家的妻子都做出了犧牲……她們實(shí)際上都已經(jīng)成了寡婦——物理學(xué)的寡婦。”然而，今后生活的無(wú)比艱難，還遠(yuǎn)非簡(jiǎn)在當(dāng)時(shí)所能想象。
1965年是霍金的幸運(yùn)年。這年冬天，他以論文《奇點(diǎn)和時(shí)空幾何學(xué)》與彭羅斯分享了“亞當(dāng)斯獎(jiǎng)”。這一獎(jiǎng)項(xiàng)的科學(xué)地位很高，霍金23歲就獲此殊榮，真讓他的同伴們贊嘆不已。西阿瑪欣喜地告訴簡(jiǎn)說(shuō)，霍金的前程將有如牛頓那樣輝煌。這令簡(jiǎn)驚喜非凡。她衷心地感激這位導(dǎo)師的坦率和誠(chéng)摯。
但是，霍金的身體狀況很令人擔(dān)憂。1966年初，霍金夫婦住進(jìn)了劍橋大學(xué)小圣瑪麗胡同6號(hào)，他們的臥室在二樓。隨著病情加劇，霍金上樓越來(lái)越艱難了。到后來(lái)，他每次要花15分鐘才能把自己的身體拖到二樓。然而，他堅(jiān)決拒絕別人幫助。他覺(jué)得，每一次屈服都意味著他將永遠(yuǎn)喪失一種生活能力。
1967年5月28日晚10時(shí)，霍金和簡(jiǎn)迎來(lái)了他們的第一個(gè)兒子——羅伯特。在此之前兩個(gè)月，簡(jiǎn)實(shí)現(xiàn)了自己對(duì)父親的承諾，完成在倫敦大學(xué)的學(xué)業(yè)，獲得了學(xué)士學(xué)位。
1967年7月17日，霍金夫婦帶著滿月未久的羅伯特，去美國(guó)西雅圖的巴特爾紀(jì)念研究所參加一個(gè)暑期討論班。在那里，霍金直觀把握復(fù)雜概念的能力，想象多維數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的才能，連同他深遠(yuǎn)的洞察力和非凡的記憶力，受到了人們的高度重視。他的威信如日東升。
1969年，霍金受聘劍橋大學(xué)岡維爾—?jiǎng)P斯學(xué)院的一個(gè)特殊職位——科學(xué)名人研究職位，任期6年。而與此同時(shí)，霍金走路已經(jīng)十分困難。終于，他作出了讓步，同意以輪椅代步。
1970年11月2日上午8時(shí)，羅伯特增添了一個(gè)妹妹——露西。簡(jiǎn)堅(jiān)忍不拔地獨(dú)力支撐全家，照料殘疾的丈夫和兩個(gè)幼小的孩子。
霍金的研究需要用到大量極復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程式，但他的手既不能打字，也無(wú)法書寫。這就迫使他把一切都記在大腦中。他的一位朋友曾說(shuō)：
“在最近的一次研討會(huì)上，人們看到黑板上寫滿霍金那些像五線譜一樣復(fù)雜的數(shù)學(xué)式子，一定會(huì)想到他就有如莫扎特在頭腦中創(chuàng)作和演奏一部完整的交響樂(lè)?！?/p>
1973年，霍金和喬治·埃利斯合著的《時(shí)空的大尺度結(jié)構(gòu)》由劍橋大學(xué)出版社出版。它很深?yuàn)W，直到今天仍被視為宇宙學(xué)領(lǐng)域中的經(jīng)典。31歲的霍金，學(xué)術(shù)地位已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)固。
此時(shí)，霍金和彭羅斯也已證明：兩個(gè)黑洞相撞時(shí)將會(huì)合并，合并后形成的那個(gè)新黑洞的表面積決不會(huì)小于原先那兩個(gè)黑洞的表面積之和。
這種情形，使霍金想到了著名的熱力學(xué)第二定律：在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，分子運(yùn)動(dòng)的 “無(wú)序”程度只會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。例如，一滴墨水滴入一缸清水中，墨水不久就會(huì)擴(kuò)散到整缸水里。而另一方面，已經(jīng)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)的墨水卻決不可能自動(dòng)重新聚攏成一滴。物理學(xué)家將水缸中墨水“無(wú)序運(yùn)動(dòng)的程度”稱為“熵”。熵越大，就越?jīng)]有秩序。熱力學(xué)第二定律說(shuō)的就是：
“一個(gè)封閉系統(tǒng)中的熵，只會(huì)增大，不會(huì)減小?！?/p>
霍金將黑洞的“表面積只會(huì)增大”與封閉系統(tǒng)的“熵只會(huì)增大”聯(lián)系起來(lái)。這一超越前人的思想使他興奮異常:“我對(duì)自己的發(fā)現(xiàn)是如此激動(dòng)，以致當(dāng)天幾乎徹夜未眠?！钡诙煲辉?，他就把這一想法告訴了彭羅斯。
▲進(jìn)入21世紀(jì)后，古稀之年的彭羅斯依然是活躍在宇宙學(xué)和黑洞研究前線的一員驍將
后來(lái)，霍金的這一發(fā)現(xiàn)被稱為黑洞的“面積定律”。
霍金輻射
20世紀(jì)初，物理學(xué)中出現(xiàn)了兩個(gè)意義深遠(yuǎn)的重要理論：一個(gè)是研究時(shí)空、引力和宇宙結(jié)構(gòu)的相對(duì)論，另一個(gè)是研究原子微觀結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)。霍金之前的許多物理學(xué)家——包括愛(ài)因斯坦，都曾試圖將這兩種理論統(tǒng)一起來(lái)，但是失敗了。剛過(guò)而立之年的霍金，通過(guò)對(duì)黑洞的研究，朝相對(duì)論和量子力學(xué)的統(tǒng)一邁出了重要的一步。事情的經(jīng)過(guò)是這樣的——
1973年9月，霍金在莫斯科訪問(wèn)了蘇聯(lián)著名物理學(xué)家和宇宙學(xué)家澤爾多維奇。當(dāng)時(shí)，澤爾多維奇的研究小組正在探索黑洞的量子力學(xué)問(wèn)題。同這個(gè)小組的討論，對(duì)霍金很有啟發(fā)。原來(lái)，澤爾多維奇早在1969年就意識(shí)到旋轉(zhuǎn)的黑洞應(yīng)該發(fā)出輻射，這種輻射應(yīng)該是廣義相對(duì)論和量子理論的結(jié)合物或半結(jié)合物。澤爾多維奇相信，輻射基本上由黑洞的旋轉(zhuǎn)能量產(chǎn)生；黑洞發(fā)出輻射損失了能量，致使旋轉(zhuǎn)變慢，最后輻射也會(huì)漸趨停止。
霍金覺(jué)得澤爾多維奇的解釋不能令人完全信服。于是，他用自己的方式重新思考了這個(gè)問(wèn)題。他埋頭計(jì)算了兩個(gè)多月，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于量子力學(xué)效應(yīng)，黑洞會(huì)向外噴射物質(zhì)和輻射。這種“黑洞輻射”使黑洞喪失能量和物質(zhì)，因而變得越來(lái)越小。而黑洞越小，輻射活動(dòng)就越劇烈。因此，結(jié)論必然是：黑洞遲早會(huì)以一場(chǎng)爆炸而告終。
1974年初，霍金將這一切告訴了馬丁·里斯。里斯正巧遇到西阿瑪，遂急切地對(duì)自己的恩師說(shuō)：
“您聽(tīng)說(shuō)了嗎？一切都不同了，霍金改變了一切?！?/p>
里斯解釋說(shuō)，霍金發(fā)現(xiàn)：由于量子力學(xué)效應(yīng)，黑洞像熱體那樣輻射，所以黑洞不再是黑的了！這就使得熱力學(xué)、廣義相對(duì)論和量子力學(xué)有了新的統(tǒng)一，“這將改變我們對(duì)物理學(xué)的理解！”
1974年3月1日，英國(guó)的權(quán)威性學(xué)術(shù)刊物《自然》（Nature）刊登了霍金的論文，題為“黑洞爆炸？”。文中嚴(yán)密地表述了關(guān)于黑洞輻射的新發(fā)現(xiàn)。不少人認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)是近年來(lái)理論物理學(xué)最重要的進(jìn)展，西阿瑪也言簡(jiǎn)意賅地說(shuō)：
“霍金的論文是物理學(xué)史上最漂亮的論文之一?！?/p>
從此，霍金發(fā)現(xiàn)的這種黑洞輻射就被稱為“霍金輻射”。從此，人們也開(kāi)始稱霍金為“當(dāng)今的愛(ài)因斯坦”，“黑洞的主宰者”，甚至“宇宙的主宰”。
▲霍金的轎車，車尾的不干膠字條上寫著：“黑洞是看不見(jiàn)的”
1974年3月中旬，霍金和簡(jiǎn)獲悉，他將被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。對(duì)英國(guó)科學(xué)家而言，這是一種至高的榮耀。一名32歲的年輕人居然獲此殊榮，在歷史上相當(dāng)罕見(jiàn)。
5月2日，在倫敦，皇家學(xué)會(huì)大講堂里舉行了隆重的入會(huì)儀式，新會(huì)員一個(gè)接著一個(gè)走上講臺(tái)，在入會(huì)簿上簽名。論到霍金了，有人把簽名簿從講臺(tái)上遞下來(lái)，霍金坐在輪椅中簽上自己的名字。他在熱烈的掌聲中露出微笑，簡(jiǎn)也感動(dòng)得熱淚盈眶。
三次打賭
霍金的身體每況愈下，他的言語(yǔ)變得含混不清。身為基督教徒的簡(jiǎn)對(duì)此感到茫然，不禁悲嘆道：“只有發(fā)生奇跡，才能解決我們面對(duì)的問(wèn)題。我當(dāng)然不能指望從大彌撒的濃濃香氣中得到一個(gè)奇跡?！?br>
后來(lái)，她想到一個(gè)不尋常的主意：請(qǐng)霍金的研究生來(lái)家同住。他們幫助霍金穿衣、洗澡、上下汽車，等等，回報(bào)則是免收房租以及霍金對(duì)他們學(xué)業(yè)的關(guān)注。就這樣，卡爾和阿德斯兩人住到了霍金家里。大家覺(jué)得這對(duì)雙方都有益。
這時(shí)，美國(guó)加州理工學(xué)院的基普·索恩給霍金發(fā)來(lái)邀請(qǐng)信，請(qǐng)他作為訪問(wèn)學(xué)者到那里工作一學(xué)年。學(xué)院提供的條件相當(dāng)優(yōu)越，霍金全家同往，連電動(dòng)輪椅、理療都作了最妥善的安排，而且卡爾和阿德斯兩人也同時(shí)被邀。
1974年8月27日，霍金一家四口同上述兩名學(xué)生飛抵洛杉磯。有了電動(dòng)輪椅，霍金行動(dòng)就自由多了。它可以比先前的輪椅跑得更快，只是其固體凝膠電池很重，遇到臺(tái)階要人抬就很吃力。
科學(xué)家往往喜歡為嚴(yán)肅的事情增添些許幽默。例如，為尚未揭曉的科學(xué)疑謎打賭?；艚鹜鞫鞔蜻^(guò)三次賭，第一次是在1974年12月，賭的是：天鵝座X-1中是否包含一個(gè)黑洞。
▲天鵝座X-1中央是否有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞？
天鵝座X-1是位于天鵝座中的一個(gè)著名的X射線源。索恩認(rèn)為那里有一個(gè)黑洞，霍金則認(rèn)為沒(méi)有。他們立下賭狀：如果那里真有黑洞，霍金就給索恩訂一年的《閣樓》雜志；如果沒(méi)有黑洞，索恩就給霍金訂4年的《私家偵探》雜志。
其實(shí)，按照霍金本人的黑洞理論，天鵝座X-1中是應(yīng)該有黑洞的，但他故意把賭注下在“沒(méi)有黑洞”上。打賭的結(jié)果是索恩贏了，他按時(shí)收到了霍金為他訂的《閣樓》雜志；而這恰好也說(shuō)明霍金的黑洞理論原本是正確的。
1991年12月24日，霍金和索恩又為“宇宙中是否存在‘裸奇點(diǎn)’”打賭。前文曾談及，奇點(diǎn)是這樣的一個(gè)點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上我們熟知的物理學(xué)定律不再奏效?！奥闫纥c(diǎn)”則指赤裸的奇點(diǎn)，沒(méi)有任何東西包圍著它。
霍金認(rèn)為奇點(diǎn)只能存在于黑洞之中，它不可能是“裸”的。索恩的看法則相反，站在他一邊的還有普雷斯基爾。這一次的賭注是：如果霍金輸了，他要付給索恩和普雷斯基爾100英鎊；如果他贏了，對(duì)方付給他50英鎊。與此同時(shí)，輸方還要給贏方一件 “以蔽裸體” 的衣裳。
霍金又輸了。但他不服氣，拒不支付那100英鎊。不過(guò)，他還是給了索恩和普雷斯基爾每人一件“以蔽裸體”的T恤，上面寫著“自然界憎恨裸奇點(diǎn)”。
▲霍金打賭輸給索恩和普雷斯基爾的T恤衫
霍金這次只是“半認(rèn)輸”，他只承認(rèn)在“特殊情況”下可以形成裸奇點(diǎn)，但在“一般情況”下，裸奇點(diǎn)還是被禁止的。
霍金認(rèn)為，黑洞不能向外界釋放任何信息；一個(gè)天體如果最后坍縮成一個(gè)黑洞，那么它的大量信息就從此完全喪失。這稱為“黑洞信息佯謬”。倘若情況果真如此，那么大自然就有了更大的不確定性。
這里所說(shuō)的不確定性，涉及量子力學(xué)中的一條基本原理，即德國(guó)物理學(xué)家海森堡于1927年首先提出的“不確定關(guān)系”。這一“關(guān)系”表明，一個(gè)微觀粒子的某些物理量，例如位置和動(dòng)量，不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值。其中一個(gè)量愈確定，另一個(gè)量的不確定程度就愈大。假如我們獲知某一微觀粒子的速度（或動(dòng)量）具有某個(gè)相當(dāng)精確的數(shù)值，那么它在該時(shí)刻的空間位置必然就相當(dāng)?shù)夭淮_定，以至于我們只能說(shuō)出它位于某處的可能性（即概率）有多大，而不可能確定它究竟處在空間的哪一點(diǎn)上。
愛(ài)因斯坦不贊成上述這種基于“概率”的詮釋。對(duì)此，他有一句名言：“我不相信上帝會(huì)玩擲骰子的游戲！”
丹麥物理學(xué)大師尼爾斯·玻爾反駁道：“你怎么知道上帝不擲骰子呢？”
霍金的見(jiàn)解則仿佛在說(shuō)：“上帝不僅擲骰子，有時(shí)他還把骰子擲到了沒(méi)法看見(jiàn)的地方?！?/p>
但是，索恩和普雷斯基爾認(rèn)為，黑洞可以隱藏它內(nèi)部的信息。于是，他們?cè)?997年2月5日同霍金就“黑洞到底能不能釋放信息”打賭。當(dāng)時(shí)霍金的手早已不能寫字，便在賭狀上按了指印。賭注是一本《棒球百科全書》。霍金在2004年7月21日正式認(rèn)輸，他承認(rèn)：“上帝沒(méi)有把骰子擲到我們無(wú)法看見(jiàn)的地方去。”
科學(xué)家們憑借各自的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)就尚未證實(shí)的猜想打賭，可以說(shuō)是醉翁之意不在酒：他們看重的并非賭注，而是期望早日查明事實(shí)真相。這也是科學(xué)家們?cè)诰o張的勞動(dòng)之余，樂(lè)于進(jìn)行的一種情趣高雅的消遣。我們可以看到，像霍金這樣的智者，也不乏失誤的時(shí)候?？茖W(xué)就是在不斷嘗試和失敗中發(fā)展起來(lái)的，愛(ài)因斯坦和牛頓，不也都犯過(guò)這樣那樣的錯(cuò)誤嗎？
【本文節(jié)選自《巨匠利器——卞毓麟天文選說(shuō)》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲取授權(quán)，并注明出處?！?/p>
▲卞毓麟：1965年南京大學(xué)天文學(xué)系畢業(yè)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)客座研究員，中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)，上?？萍冀逃霭嫔珙檰?wèn)、編審。著譯圖書30余種，《追星——關(guān)于天文、歷史、藝術(shù)和宗教的傳奇》一書獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。曾獲全國(guó)先進(jìn)科普工作者、全國(guó)優(yōu)秀科技工作者等多種表彰。
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