2018年3月14日，史蒂芬·霍金離世。他被學(xué)界公認(rèn)為當(dāng)代最偉大的引力物理學(xué)家。英國皇家學(xué)會會長馬丁·里斯和因發(fā)現(xiàn)引力波而獲得諾獎的基普·索恩分別在為霍金進(jìn)行的劍橋追悼和倫敦西敏寺的葬儀上一致指出，當(dāng)代沒有任何人比霍金對時(shí)間和空間理解得更深刻。我在這兩個(gè)場合都非常仔細(xì)地聆聽了他們的悼詞。在霍金入葬以后，來賓們被邀請到西敏寺的后花園參加招待會，這時(shí)響起了熟悉的霍金的“聲音”，此刻歐洲空間局將這聲音同步向宇宙深處發(fā)射。它象征著這個(gè)星球上的寂寞的文明尋找宇宙知音的努力。
2018年3月31日，霍金的葬禮。 東方IC 圖
早在上世紀(jì)70年代，霍金就已經(jīng)是光芒四射的學(xué)術(shù)明星。劍橋大學(xué)為了賦予他相應(yīng)的榮譽(yù)，特地設(shè)立了引力物理教授的位子。因?yàn)榘凑談虻墓爬蟼鹘y(tǒng)，一個(gè)學(xué)科只設(shè)一個(gè)教授位子，通常是這個(gè)位子空了才遞補(bǔ)，所以絕大多數(shù)學(xué)者，甚至非常著名的學(xué)者都不是教授。1979年霍金被選為盧卡斯數(shù)學(xué)教授后，這個(gè)引力物理教授的位子就被自動取消了。這個(gè)古老的傳統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)被改變了，不知是好事，還是壞事。
他在引力物理方面的貢獻(xiàn)主要在于黑洞物理和宇宙學(xué)。霍金一生最主要的學(xué)術(shù)成就是：發(fā)現(xiàn)廣義相對論的奇性定理、黑洞的視界面積不減定理和黑洞的輻射理論，創(chuàng)立了引力熱力學(xué)和歐氏量子引力，預(yù)言了太初的量子漲落導(dǎo)致的宇宙結(jié)構(gòu)的譜，以及提出“無邊界設(shè)想”的宇宙無中生有誕生的場景。眾所周知，他發(fā)現(xiàn)的黑洞輻射機(jī)制是百年之內(nèi)引力物理理論的最偉大成就。這個(gè)成就已經(jīng)被鐫刻在他在倫敦西敏寺的墓碑上。但他的另一個(gè)偉大成就是宇宙學(xué)的“無邊界設(shè)想”。他自己怎么看待這兩個(gè)最主要的貢獻(xiàn)呢？
2004年冬他邀請我訪問劍橋。同年12月10日，我向他提出藏在心里很久的一個(gè)問題：“史蒂芬，你認(rèn)為你的黑洞輻射和無邊界設(shè)想，哪個(gè)貢獻(xiàn)更為重要？這個(gè)問題只有你能夠回答?！彼苿邮髽?biāo)，在屏幕上寫出一行字：“Otherpeople think the blackhole,because that is now accepted,but I think no-boundary.”（人們認(rèn)為黑洞〔輻射〕更重要，因?yàn)樗F(xiàn)在已被接受。但是，我認(rèn)為無邊界〔設(shè)想〕更重要。）
本文作者翻譯的兩部霍金作品
宇宙學(xué)成為嚴(yán)肅的科學(xué)是以兩個(gè)事件為標(biāo)志，它們是愛因斯坦提出三維球的靜態(tài)宇宙模型和哈勃發(fā)現(xiàn)紅移定律。1917年，即愛因斯坦提出廣義相對論的第三年，他用新發(fā)現(xiàn)的引力場方程來研究整個(gè)宇宙，這是人類首次思考大尺度非平坦的時(shí)空模型。他的宇宙空間由有限而無界的三維球來描述。而他為了得到一個(gè)靜態(tài)的宇宙模型，不惜修改他的場方程，引進(jìn)了所謂的宇宙常數(shù)。但是，在1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)了星系光譜的紅移定律，表明宇宙并非處于靜態(tài)，而是正在膨脹。所以愛因斯坦只好拋棄宇宙常數(shù)。
1948年，伽莫夫等提出了后來稱為熱大爆炸的宇宙場景。他認(rèn)為，早期的宇宙具有極大的物質(zhì)密度和極高的溫度。在大爆炸后的幾秒鐘，宇宙的物質(zhì)由電子、質(zhì)子、中子和它們的反粒子以及輻射組成，在更早的時(shí)刻則完全由基本粒子組成。隨著宇宙膨脹，它逐漸冷卻。在大爆炸后38萬年左右，電子和核子結(jié)合成原子，其中主要是氫原子，宇宙因而變成透明的。伽莫夫認(rèn)為，我們還應(yīng)該能夠觀測到那個(gè)階段的光子，只是由于宇宙的膨脹引起的巨大紅移，它們現(xiàn)在變成了只有幾開氏度溫度的宇宙微波背景輻射。1964年，彭齊亞斯和威爾遜意外地發(fā)現(xiàn)了這個(gè)大爆炸的余暉。目前這個(gè)輻射的溫度被準(zhǔn)確地測量為2.725開氏度。
大爆炸模型假定宇宙起始于一個(gè)尺度為零的奇點(diǎn)。在起點(diǎn)處物理定律甚至因果性都崩潰了。有人認(rèn)為，這種奇性是起因于空間的均勻性和各向同性的假設(shè)，而實(shí)際的宇宙并不具備這樣高的對稱性，所以宇宙應(yīng)壓倒性地不具有大爆炸奇點(diǎn)。
霍金就在這個(gè)背景下進(jìn)入引力物理的領(lǐng)域。1970年，霍金和彭羅斯證明了，在經(jīng)典廣義相對論中，在非常合理的物理?xiàng)l件下，宇宙的大爆炸奇點(diǎn)是不可避免的。奇點(diǎn)應(yīng)該被認(rèn)為是經(jīng)典時(shí)空的無法袪除的邊界。因此，廣義相對論是不完備的。完整的宇宙圖像，尤其是大爆炸起始的物理圖像，應(yīng)借助于還未被發(fā)現(xiàn)的量子引力論來加以描述。
宇宙有許多美妙的性質(zhì)無法得到解釋。1973年，霍金和科林斯在研究宇宙的各向同性時(shí)發(fā)現(xiàn)：宇宙之所以這個(gè)樣子乃是因?yàn)槲覀兊拇嬖?。這個(gè)思想后來被發(fā)展為所謂的“人存原理”，表明物理對象尤其宇宙和觀察者的關(guān)系絕非是映照那么簡單，那么超然。
我們即便躲避宇宙的大爆炸起點(diǎn)問題，但由于宇宙的行為極端敏感地依賴于它極早期的初始條件，為何我們觀察到的宇宙是這個(gè)樣子仍然是個(gè)尖銳的問題。1980年代，固斯和林德等人假定在熱大爆炸相之前還存在一個(gè)暴脹相，那時(shí)宇宙的尺度指數(shù)式地快速膨脹。這個(gè)所謂的暴脹模型可以在一定程度上減輕，但不能徹底解決這個(gè)問題。
1998年，珀?duì)栺R特、施密特與里斯發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹。人們認(rèn)為，這種加速是由于所謂的暗能量引起的。通過天文學(xué)家和宇宙學(xué)家的不懈努力，人們達(dá)到共識，宇宙空間是平坦的，宇宙的現(xiàn)有物質(zhì)組成中68%為暗能量，通常被認(rèn)為就是宇宙常數(shù)，還有5%的可見物質(zhì)和27%的看不見的暗物質(zhì)?，F(xiàn)在宇宙公認(rèn)的年齡是138億年。
史蒂芬·霍金 視覺中國 資料
宇宙學(xué)的最重大的問題是宇宙的創(chuàng)生。哲學(xué)、神學(xué)和科學(xué)都對它極端關(guān)注?；艚鹪?981年于梵蒂岡提出了“無邊界設(shè)想”：宇宙的邊界條件是它沒有邊界！沒有一種邊界條件比霍金提出的“無邊界設(shè)想”更為簡單、更為合理，也因此更為美麗！由此長期困擾人類理性的“第一推動問題”才得以解決，因?yàn)橛钪娴拈_端，從時(shí)空的觀點(diǎn)看就是一個(gè)邊界。也正因?yàn)槿绱?，上帝才從宇宙?chuàng)生的場景中被排斥出去。
“無邊界設(shè)想”使宇宙學(xué)首次具有預(yù)見性。人們利用“無邊界設(shè)想”來重新審視宇宙學(xué)的所有問題。
霍金意識到宇宙中的一切結(jié)構(gòu)起源于均勻背景中的量子場的漲落。這種漲落可以從無邊界設(shè)想導(dǎo)出，和他與吉本斯早先研究過的宇宙視界的溫度相關(guān)聯(lián)。漲落的標(biāo)量部分將體現(xiàn)在微波背景輻射的溫度變化，它是星系、星系團(tuán)等宇宙結(jié)構(gòu)的籽。其張量部分就呈現(xiàn)為太初引力波。在之后的歲月里，這些計(jì)算得到很大的改善。標(biāo)量的漲落計(jì)算和觀測符合得相當(dāng)完美，但太初引力波還未被觀測到。
“無邊界設(shè)想”使物理定律不僅制約宇宙的演化，還制約宇宙的創(chuàng)生，使上帝在宇宙中沒有存身之處。宇宙本身是物理定律的實(shí)現(xiàn)。時(shí)空不能外在于宇宙?！盁o邊界設(shè)想”實(shí)現(xiàn)了宇宙無中生有的場景。現(xiàn)在問題歸結(jié)為宇宙為什么存在？而存在卻是沒有定義的。
霍金和彭羅斯合作在經(jīng)典物理的框架中證明了經(jīng)典宇宙學(xué)的奇點(diǎn)定理。有趣的是，在他們后來的研究中宇宙都是沒有奇點(diǎn)的。彭羅斯的宇宙模型和霍金的不同，現(xiàn)在簡略地列在這里，以做個(gè)比較。彭羅斯的模型是準(zhǔn)無限循環(huán)的。傳統(tǒng)的所謂循環(huán)宇宙是指宇宙的一個(gè)有限時(shí)間的相的結(jié)束成為下一個(gè)有限時(shí)間的相的開始，如此首尾相接，以至無窮。對于彭羅斯這么有創(chuàng)見的人物，他顯然不屑因循守舊。他的模型的每一相被稱為永世（Aeon），每個(gè)永世本身在時(shí)間上就是延續(xù)了無限久的實(shí)數(shù)連續(xù)統(tǒng)。而前一個(gè)永世的最后階段的無限膨脹，被認(rèn)為是下一永世的大爆炸起始。可憐的生命只能在一個(gè)永世中延續(xù)有限的時(shí)段。彭羅斯認(rèn)為，從我們這個(gè)永世的微波背景輻射中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了前一個(gè)永世的痕跡，那很可能是由前一永世中的兩顆極大質(zhì)量的黑洞碰撞合并時(shí)，發(fā)出的巨大能量導(dǎo)致的，該能量主要以引力波的方式體現(xiàn)。
（本文為《時(shí)間簡史》、《十問 : 霍金沉思錄》等書譯者吳忠超老師專門為霍金離世兩周年紀(jì)念日所寫的一篇紀(jì)念文章。）
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