作為最廣為人知的當(dāng)代科學(xué)家之一，霍金老爺子這幾年表現(xiàn)出了“網(wǎng)紅體質(zhì)”。最近幾天，他就又在微博上了熱搜榜。先是出來一條已經(jīng)被澄清的謠言，說霍金“警告人類不要嘗試登月，月球背面有外星人”；之后又來了一條真的警告，他在挪威一場會(huì)議上說，人類若想生存下去，就必須在200到500年內(nèi)在太空中找到新家?！拔覉?jiān)信人類應(yīng)該離開地球。”
但和其他“紅人”一樣，一旦較起真來，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己對(duì)霍金的了解也沒有那么多。比如：他的具體研究方向是什么？他有沒有獲得過諾貝爾獎(jiǎng)？除了《時(shí)間簡史》，他還出過什么書？這些問題一問出來，很多人可能都不太清楚。
最近，霍金關(guān)于“黑洞”的演講集《黑洞不是黑的：霍金B(yǎng)BC里斯講演》中文版出版，讓我們漲知識(shí)、學(xué)科學(xué)、熟悉霍金的機(jī)會(huì)又來了。
相比于眾多前輩，霍金無疑是“接地氣”許多，他是“高高在上”的科學(xué)家，卻來到我們身邊，開了微博、講了段子、還和鄧超互動(dòng)……成了讓我們親近的“網(wǎng)紅”；另一方面，多年來，通過種種渠道和方式，霍金對(duì)許多人來講都可以算是“我從小聽著你的故事長大的”人物了，“身殘志堅(jiān)”是他的代名詞：21歲確診運(yùn)動(dòng)神經(jīng)疾病的青年，被預(yù)告只能再活5年，卻一直到今天都在發(fā)展理論物理的前沿。
霍金的著作頗豐，但是除了對(duì)常人來說天書般的學(xué)術(shù)文章和高深理論外，他還做了什么？
在紅遍全球的《時(shí)間簡史》中，霍金探索了時(shí)間和空間的奧秘，并對(duì)宇宙的本性、空間和時(shí)間、黑洞、時(shí)間箭頭等問題進(jìn)行闡述。而《我的簡史》則是霍金的自傳，講述了一個(gè)炮火中誕生的英國男孩，是如何“倔強(qiáng)地”成長為今天我們所尊崇的坐在輪椅上的巨人。他還和女兒露西·霍金共同創(chuàng)作了小說《喬治的宇宙》“三部曲”，是寫給孩子們看的科普書。和他相關(guān)的著作、傳說、紀(jì)錄片、電影更是不勝枚舉，他自己客串了熱門美劇《生活大爆炸》，以他為主角的《萬物理論》使“小雀斑”捧回奧斯卡影帝獎(jiǎng)杯。
《時(shí)間簡史：插圖版》
作者：[英] 史蒂芬·霍金
譯者：許明賢 / 吳忠超
版本： 湖南科學(xué)技術(shù)出版社
這讓很多人產(chǎn)生疑問：霍金為什么要做這些？
科學(xué)的語言需要一個(gè)“翻譯”，霍金做的，就是這樣的工作。當(dāng)有人用高深的數(shù)學(xué)語言致力于將我們頭頂?shù)男强湛吹猛笍攸c(diǎn)、再透徹點(diǎn)的時(shí)候，也需要有人告訴我們他們發(fā)現(xiàn)了什么，所以更多的人可以知道在離我們遙遠(yuǎn)的彼端，正在發(fā)生什么?；艚鸬墓ぷ魇菍?duì)大眾科學(xué)思想的啟蒙，一本本著作用通俗易懂的方式，梳理佶屈聱牙的物理問題和宇宙奧秘，吸引更多的人去關(guān)注、理解頭頂?shù)男强蘸妥匀豢茖W(xué)的發(fā)展。
斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）
1942.1.8-
英國物理學(xué)家
“萬物理論”
為什么霍金的傳記片要被稱為《萬物理論》？
“萬物理論”是物理學(xué)家們企圖將世間萬物統(tǒng)一于一個(gè)理論中的追求，他們希望通過找到一個(gè)單一理論就能夠描述整個(gè)宇宙。自人類社會(huì)發(fā)展以來，但凡是有學(xué)科體系的建立，尋找完美的終極理論便成為了其中永恒的話題。
而在物理學(xué)界，“終極”也一直是其前進(jìn)的動(dòng)力，愛因斯坦說，“上帝不會(huì)擲篩子”，所謂的隨機(jī)性和不確定性只是人們認(rèn)識(shí)的問題而不是宇宙本身的屬性。從牛頓到麥克斯韋再到愛因斯坦，宇宙與地球、電力與磁力、時(shí)間與空間在理論探索和實(shí)驗(yàn)證明下不斷證明了其“萬物”的可能性。
霍金預(yù)言：
“我預(yù)料本世紀(jì)某時(shí)我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)完備的統(tǒng)一理論。利用那些基本定律，我們能夠建立的復(fù)雜性是沒有限度的?！?nbsp;
根據(jù)霍金前妻簡·王爾德的回憶錄
《飛向無限:和霍金在一起的日子》改編的電影《萬物理論》
“萬物理論”有實(shí)現(xiàn)的可能性嗎？
在目前看來，兩種理論最有可能成為萬物理論，一是廣義相對(duì)論，二是量子場論。前者專注于研究宇宙中的大尺度問題；后者則是極小空間下的科學(xué)，探索解釋最小尺度的粒子行為。
愛因斯坦在1915年提出的廣義相對(duì)論解決了牛頓的引力理論在某些情況下不能適用的疑問，比如當(dāng)遇到宇宙中的極端速度，或者是超強(qiáng)引力時(shí)的情況，水星的運(yùn)行軌跡即是一例。愛因斯坦提出，引力應(yīng)由彎曲時(shí)空的度規(guī)來體現(xiàn)，物理定律在任意坐標(biāo)系中都采取同樣的形式，而時(shí)空度規(guī)應(yīng)滿足愛因斯坦場方程。廣義相對(duì)論是相對(duì)性原理、光以及引力三者和諧共存的理論。
阿爾伯特·愛因斯坦（Albert.Einstein）
1879.3.14－1955.4.18
然而，正如上述指出的，粒子不同于一個(gè)蘋果或是大型天體，它并不遵循牛頓和愛因斯坦創(chuàng)立的定律，愛因斯坦的理論在這時(shí)可能也不能是“萬物理論”；但霍金開創(chuàng)地利用極小空間制度下的科學(xué)去研究大尺度的時(shí)空，使“萬物理論”的發(fā)展又前進(jìn)了一步，這正是我們熟悉的“量子理論”。
黑洞無毛
說到“量子理論”必然要談到“黑洞”。在牛頓力學(xué)中，每個(gè)天體都有一個(gè)逃逸速度，只有投擲速度超過它時(shí)才能夠成功擺脫天體，可是，如果天體的引力足夠大時(shí)，這個(gè)速度也是足夠大的，沒有任何物體可以掙脫這個(gè)天體，包括光。這樣的天體只能吞噬，不能釋放，不能散發(fā)熱量，也無法發(fā)射光，因此拉普拉斯才說，“宇宙中的最大星體可能是看不見的”，而20世紀(jì)中期，美國物理學(xué)家惠勒將這種“看不見的星體”命名為我們今天熟悉的“黑洞”。
“黑洞”名字的提出還有一個(gè)有意思的故事，惠勒造出這個(gè)詞，想表明坍縮恒星殘余本身是有趣的，這個(gè)詞也讓人聯(lián)想到某種黑暗而神秘的東西。但是，法國人卻察覺到了這個(gè)詞更下流的一層意思，trou noir因?yàn)楸徽J(rèn)為具有更淫穢的意思在法語中被排斥，然而最終他們也只好屈服，霍金說：“何人能夠抵制一個(gè)如此大獲全勝的名字呢？”
法國人的拒絕沒有起到什么效果，“黑洞”的名字風(fēng)靡全球
可是既然“黑洞”是“看不見的星體”，科學(xué)家們又怎能知道有這樣一個(gè)東西存在呢？1939年時(shí)，愛因斯坦還專門撰文表示，沒有黑洞的存在，因?yàn)楹阈遣荒茉谧陨硪ψ饔孟绿s。
這就涉及到了“黑洞”是如何形成的問題，惠勒在上世紀(jì)五六十年代中強(qiáng)調(diào)，恒星是會(huì)坍塌的。在一顆正常恒星的幾十億年壽命的大部分時(shí)間里，支持恒星對(duì)抗自身引力的力量來自于恒星內(nèi)部的熱壓力，熱壓力產(chǎn)生于恒星內(nèi)部的核聚變的爆炸力。然而，恒星最終必將耗盡它的核燃料，失去與自身引力對(duì)抗的熱壓力，這時(shí)候恒星就會(huì)收縮。相對(duì)較小的恒星會(huì)收縮成致密的白矮星，但很大質(zhì)量的恒星則會(huì)收縮到具有無限密度的單獨(dú)的一點(diǎn)，這樣的一點(diǎn)被稱為奇點(diǎn)，黑洞就此產(chǎn)生。奇點(diǎn)是霍金數(shù)學(xué)研究的典型主題，它不僅標(biāo)志著恒星的終結(jié)，也有關(guān)整個(gè)宇宙的起點(diǎn)。
這并不是科學(xué)家隨便的猜測，黑洞雖然是一片黑暗，無法被看到，但科學(xué)家們通過探測到超過十億年前的兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的“引力波”，證明了“黑洞”確實(shí)存在。
在我們的印象中，人人都知道黑洞神秘莫測，可以吞噬一切，甚至衍生出當(dāng)描述一個(gè)人為“黑洞”時(shí)，往往指他行為異常、突然冷場、有進(jìn)無出的怪異表現(xiàn)。黑洞真的是這樣的嗎？
這種印象是有科學(xué)依據(jù)的。奇點(diǎn)時(shí)空曲率為無限大，我們?nèi)粘Ｋ熘臅r(shí)空規(guī)則就不再適用。同時(shí)，黑洞是有邊界的——事件視界。在視界上，引力的大小恰好足以把光拉曳到視界內(nèi)并防止它逃逸。因?yàn)闆]有任何東西的速度比光還快，因此經(jīng)過視界的所有其他東西也必然會(huì)被引力拉曳回去。這就好比乘舟穿過瀑布，在瀑布上游，如果你槳?jiǎng)澋米銐蚩?，就能夠逃脫掉下瀑布的命運(yùn)， 然而一旦到達(dá)了瀑布邊緣，再怎么劃槳都無濟(jì)于事了。
瀑布好比黑洞的事件視界，速度不夠快，必然會(huì)掉入黑洞
1972年，雅各布.伯肯斯坦提出了柏肯斯坦定理，認(rèn)為引力坍縮產(chǎn)生的黑洞會(huì)快速地在一個(gè)靜態(tài)安頓下來，這個(gè)態(tài)只用三個(gè)參數(shù)就能表征：質(zhì)量、角動(dòng)量（旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)）和電荷。除了這三個(gè)性質(zhì)，黑洞不保留已坍縮的天體的任何其他細(xì)節(jié)，大量信息被丟失，這也就是惠勒所說的“黑洞無毛”?！昂诙礋o毛定理”使得黑洞研究變得極度純粹，直擊自然的核心奧妙。霍金認(rèn)為，只要能理解黑洞以及它們?nèi)绾翁魬?zhàn)時(shí)空的本性，我們就會(huì)更接近揭開宇宙的奧秘。
進(jìn)了黑洞還有救？
那么黑洞真的“無毛”嗎？真的所有東西都無法從黑洞逃逸嗎？霍金在1974年利用量子力學(xué)研究黑洞附近的粒子行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，黑洞似乎是在以穩(wěn)定的速率發(fā)射粒子，而飛離的粒子的譜是精確地?zé)嵝缘模@些計(jì)算首次表明，黑洞不一定是只出不進(jìn)的，它會(huì)產(chǎn)生并發(fā)射粒子和輻射，這也就是著名的“霍金輻射”。
量子力學(xué)表明，整個(gè)空間充滿了虛粒子和虛反粒子組成的虛粒子對(duì)，他們不斷地成為實(shí)體又分離，再次碰撞并湮滅，而當(dāng)其中一個(gè)虛粒子恰好在視界邊緣落入黑洞，另一個(gè)則無法湮滅，它可能落入黑洞，也可能逃逸，成為黑洞的輻射，黑洞并沒有想象的那么黑。體積龐大的黑洞泄出粒子的速度慢，難以檢測。但霍金認(rèn)為，若有一天他可以獲得諾貝爾獎(jiǎng)，就是因?yàn)橛腥四軌虬l(fā)現(xiàn)體積稍小的“微”黑洞，這種“微”黑洞存在，且輻射量大。一個(gè)像山一樣重的“微”黑洞足以給整個(gè)地球提供電能。
霍金的諾貝爾獎(jiǎng)就要靠這個(gè)能給地球充能的“微”黑洞了
在想象漫游宇宙的無限可行性時(shí)，黑洞，可能是很多人擔(dān)憂的問題。但霍金告訴我們，就算遇到黑洞也不用怕，你有機(jī)會(huì)逃逸出來，甚至逃逸到另一個(gè)宇宙。
可是逃出來的是你嗎？霍金將之比喻為燒毀一本百科全書，留下的煙灰仍然保留著百科全書的信息，只是變得難以閱讀。信息進(jìn)入黑洞同樣如此，霍金在數(shù)學(xué)上證實(shí)了粒子在超平移的過程中，在視界中植入大量只有在量子框架下才能看到的“軟毛”，刺激信息被儲(chǔ)存在事件視界里，由三維成為了兩維的全息圖。換言之，如果你掉入了黑洞中，不要害怕，你還存在，只是還需要科學(xué)家進(jìn)一步的研究和發(fā)現(xiàn)才能將你還原成本來的樣子。知道這個(gè)消息不知道是否鼓舞了不少人探索宇宙的熱情。
不要怕，從黑洞中可以逃出來
霍金坐在輪椅上，憑著有限的身體活動(dòng)能力和無限活躍的大腦證明了宏大宇宙中渺小粒子存在的可能性。他說：“我所做的僅是證明，宇宙起始的方式可以取決于科學(xué)定律。在那種情形下，沒有必要哀求上帝去決定宇宙如何起始。這并非證明沒有上帝，只是說上帝是不必要的。”
霍金說的可能不一定是對(duì)的，他關(guān)于黑洞的研究和猜想有合理性也有存疑之處?？墒侵烙邢袼粯拥脑S許多多科學(xué)家在努力解密著我們頭頂?shù)男强眨傋屓擞行┌残摹?/p>
又何止是遙遠(yuǎn)的星空，對(duì)每個(gè)人來說，如果你覺得自己掉入了一個(gè)“黑洞”，記得，“它并不是想象中的那么黑，它不是永久的囹圄……永遠(yuǎn)不要放棄，總有逃命之路”。
《黑洞不是黑的：霍金B(yǎng)BC里斯講演》
作者：[英]史蒂芬·霍金
版本：湖南科學(xué)技術(shù)出版社 2017年6月
鄂公網(wǎng)安備 42010302001612號(hào) 