【編者按】
2022年1月8日，是偉大的物理學家史蒂芬·霍金誕辰80周年。下文摘自最近出版的《史蒂芬·霍金：友誼與物理學的回憶》一書，為該書的前言。
《史蒂芬·霍金：友誼與物理學的回憶》的作者是美國物理學家列納德·蒙洛迪諾，他曾與霍金合作了《時間簡史（普及版）》《大設計》。在20年的交往中，列納德·蒙洛迪諾與霍金建立了深厚的友誼。
列納德·蒙洛迪諾與霍金
我在圣瑪麗大教堂跟史蒂芬·霍金做最后的告別，這所教堂位于劍橋老城之中，已經(jīng)有500年的歷史。那是2018年3月。我坐的位置在過道邊，當他的遺體從我身邊經(jīng)過的時候，我感覺似乎是最后一次同他攀談。然而，一具棺材將他與我以及其他哀悼者隔開了。在他來到世上76年后，這具棺材最終也將他與物理世界的危險和挑戰(zhàn)隔開。
史蒂芬相信，人死后一切都會成為虛空。人類建筑屋舍，創(chuàng)造理論，養(yǎng)育后代，與此同時，時間長河的浪濤將這一切裹挾向前，但是人的肉體則被時間的長河拋在后面。我個人也持這種觀點。然而，在棺材從我身邊經(jīng)過的剎那，我忽然覺得，棺木中的他仍然與我們在一起。這是一種奇異的感覺，讓我有些恐懼。理智告訴我，史蒂芬短暫的生命已經(jīng)終結，而我的生命，不久也會終結。物理學告訴我，有朝一日，不僅僅是我們所珍視的物品，而且包括我們意識到的一切存在之物，都會消失。我知道，即便是我們的地球、太陽以及我們的銀河系，在宇宙中存在的時間都是有限的，在大限到來的時候，一切將歸于塵土。然而，想到永恒的未來，我還是在內心向史蒂芬表達了我的愛以及美好的祝福。
我低頭看了一眼葬禮的安排表，上面印有史蒂芬的頭像，他一臉滿足的表情。我想到了他的力量所在，想到他對其他人表達肯定時露出的笑容，以及表達不贊同的時候做出的怪相。我想到了我們曾共度了很多美好的時光，沉浸在我們都熱愛的事業(yè)中。我想到了當我們談起一些特別出色的點子，或是我從他那里又學到了新東西時所體會到的滿足感；此外，我也想到了有時候我竭力想說服他，而他絕不退縮，讓我無可奈何的情形。
史蒂芬雖然身體不便，但他善于攪動物理學世界，善于向公眾介紹物理學知識，在這些方面他舉世聞名。但是，公眾可能意識不到，對于一個無法行動，而且甚至無法說話的人來說，維系一段長期的友誼，建立深厚的人際關系，以及尋找到自己所愛的人，有多么困難。史蒂芬知道，滋養(yǎng)他，并讓他保有對生命的熱愛的，不僅僅是他的物理學，也有人與人之間的關系和愛。而且在這方面，他也非常成功，超出了一般人的預料。
葬禮上有些親友的悼詞提到了一件不無諷刺的事：史蒂芬不相信上帝，但其葬禮卻是在教堂里舉行。在我看來，這完全說得通，因為雖然史蒂芬堅信科學定律主宰著自然界的一切，他同時也是深深相信靈性的。他相信人類具有靈性。他相信，每個人都有情感和道義上的靈性，這使得人與其他動物區(qū)別開，也使每個人和他人區(qū)別開。一個人，如果相信人的靈魂并不是某種超自然的產(chǎn)物，而是大腦的產(chǎn)物，這么做并不會貶低其內心的靈性。為什么會這樣呢？對于史蒂芬來說，他其實既不會說也不會動，他只有他自己的靈魂。
史蒂芬喜歡說：“我這個人最好的品質就是倔?！睂Υ耍覠o法反駁。這份“倔勁兒”使他能義無反顧地研究他所研究的觀點，那些觀點當初看起來沒有什么前途，而且很多人對之不屑一顧。這份倔強也使他的靈魂能在一個不自由的皮囊里自由地起舞。史蒂芬的壽命已經(jīng)超出了給他治療的幾乎所有醫(yī)生的預期，但是在2018年3月14日，這顆恒星還是燃盡了。
此刻，我們都來跟他說再見。他的家人、朋友、護士以及同事都來了。他長我13歲，很多人覺得他幾十年前就支撐不下去了，而且他經(jīng)常因肺部的致命感染而入院。但是在我心里，我一直都覺得他會活得比我更久。
霍金拼圖
我是在2003年他聯(lián)系我之后才認識他的。他問我能否考慮跟他合作撰寫科普書。他讀過我寫的幾本書，包括《歐幾里得之窗》，講的是彎曲空間，以及《費曼的彩虹》，講的是我跟費曼這位傳奇物理學家的私人交往。他說他喜歡我的寫作風格，另外，他注意到我也是個物理學家，所以我能明白他研究的內容，他特別看重這一點。當時我無比驚訝，感到受寵若驚。隨后的幾年中，我倆一起合作寫了兩本書，而且成了好朋友。
我們合作的第一本書是《時間簡史（普及版）》。那本書并不是從頭開始寫的，而是基于史蒂芬此前出版的科普名作《時間簡史》進行改寫和更新。他之所以這么做，是想讓《時間簡史》更易懂。加州理工學院的理論物理學家基普·索恩也是史蒂芬的密友，他曾跟我說，一個人懂的物理學越多，就越是讀不懂《時間簡史》。史蒂芬則從另一個方面表達了大約同樣的觀點。他說：“這本書人人都買，讀完的卻屈指可數(shù)?！?/p>
后來，《時間簡史（普及版）》在2005年出版，當時我在加州理工學院任教。史蒂芬住在英國，但是他每年都來加州理工，一般一次住上2到4周的時間。借他學術訪問的這些時間，外加電郵往來，就足以讓我倆完成該書的寫作。這本書，以及《果殼中的宇宙》，還有其他幾本書的內容，都是基于他在20世紀七八十年代所作的研究。但是在《時間簡史（普及版）》出版之后，我們決定一起再寫一本書，題目為《大設計》。這本書計劃談一談他最近一些年的研究成果。我倆計劃從頭開始，介紹他還未跟公眾細說過的一些新的理論，此外這本書還將涉及一些非常棘手的問題，比如平行宇宙的理論，這一理論認為宇宙可能是從虛無狀態(tài)中產(chǎn)生的，而且自然法則似乎恰好按照生命存在所必需的各種要求對宇宙進行了優(yōu)化和調整。很明顯，這次的寫作跟《時間簡史（普及版）》完全不同，是從零開始，因此我們需要拿出很多時間面對面地工作，所以我定期從美國加州飛到英國劍橋，和史蒂芬一起寫作，直到我們在2010年最終完成此書。
《時間簡史（普及版）》
史蒂芬職業(yè)生涯的大部分時間都用在完成愛因斯坦未竟的事業(yè)上。1905年，愛因斯坦提出了我們現(xiàn)在所說的“狹義相對論”。當時他25歲，一邊從事專利審核的日常工作，一邊業(yè)余從事物理研究。相對論揭示了自然界許多奇異的秘密：距離和時間的測量是相對的，取決于觀察者；物質是能量的一種形式；沒有什么能比光移動得更快，如此等等。但該理論有一個問題：狹義相對論沒有直接解決引力問題，但它規(guī)定了宇宙中速度的極限是光速，這與牛頓的理論相矛盾。在牛頓的理論中，力的傳播是瞬間實現(xiàn)的——也就是說，是以無限快的速度傳播的。
愛因斯坦一直在研究這一對矛盾。是相對論必須做出改變？還是必須放棄牛頓的引力理論？事實證明，這兩方面都要進行改變。他花了10年時間研究這個問題，其間從專利局辭職，并陸續(xù)到伯爾尼、蘇黎世、布拉格和柏林的大學任教。
1915年，愛因斯坦完成了他的新理論，即“廣義相對論”。這是對狹義相對論的一次全面的修正。廣義相對論是狹義相對論的延伸，其中明確地考慮到了引力的影響。
廣義相對論與牛頓理論的諸多不同之處之一，是它糾正了牛頓理論的一個原則，即引力是瞬間傳播的。根據(jù)廣義相對論，引力以類似于光波的形式傳播，傳播的速度是光速，因此遵守狹義相對論的速度限制。具有諷刺意味的是，盡管當初愛因斯坦建立廣義相對論的推動力之一就是對引力的傳播做出令人滿意的描述，但引力波卻是他的這一理論最后被實驗證實的一個效應。順便說一下，由于對引力波實驗的“決定性貢獻”，基普·索恩與他人分享了2017年的諾貝爾獎。
為了解釋行星為什么會繞軌道運行，以及物體為什么會下落，牛頓想象宇宙中存在一種力，他稱之為“引力”。引力作用于所有物質，使其相互吸引，并導致物體的路徑偏離它們的“自然運動”方向，即沿著直線運動。愛因斯坦向我們表明，牛頓理論所描述的只是一個近似的圖景，其背后存在一個更深的真理，根據(jù)這個真理，引力現(xiàn)象可以用一種截然不同的方式來描述。
根據(jù)愛因斯坦的理論，物質和能量并不是通過力的作用而產(chǎn)生吸引力。相反，它們只是導致空間彎曲；而空間的曲率反過來決定了物質如何運動以及能量如何傳播。物質作用于空間-時間，空間-時間也作用于物質。正是這種相互作用使得廣義相對論的數(shù)學計算變得非常之難。為了建立這一理論，愛因斯坦必須學習和掌握一門在當時還很模糊的數(shù)學，研究彎曲空間的非歐幾里得幾何。在他努力完善廣義相對論的10年時間里，愛因斯坦不得不反復進行嘗試和試錯，假設該理論可能具有的形式，計算他臨時理論的結果，并對自己的想法提出批評。
在通常的情景下，牛頓的理論提供了一個很好的近似結果，因此，過了好幾個世紀才有人注意到其存在缺點。但是在高速區(qū)域，或者物質和能量高度集中的區(qū)域（因為這樣的區(qū)域引力很強），人們就不能使用牛頓的理論了。
如今，狹義相對論被應用于物理學的許多領域，但是，只有在有限的情景下，我們才需要使用廣義相對論來解釋。其中最重要的兩個情景是關于黑洞和宇宙的起源。幾十年來，這些理論似乎都遙不可及，根本無法進行實驗來驗證。人們認為，早期的宇宙是極其遙遠的過去，對其進行研究很難做出成果，而且，就連愛因斯坦本人也不愿意接受黑洞理論，認為它們只是數(shù)學計算所產(chǎn)生的奇特結果，不會是真的發(fā)生在自然界的現(xiàn)象。結果就是，在愛因斯坦1915年發(fā)表廣義相對論論文之后的半個世紀里，這些觀點基本上都無人問津，廣義相對論被淹沒在科學的死水里。
不過，物理學家們普遍持有的想法沒有阻止史蒂芬。他的第一部著作實際上是一部與他人合著的專業(yè)書，題為《時空的大尺度結構》（The Large Scale Structure of Space Time），主要是關于彎曲空間以及描述它的數(shù)學的。讀大學時，我讀過該書的大部分，感覺其內容引人入勝，但是該書內容較為艱深，需要細嚼慢咽。有時讀懂一頁書可能需要一個小時或更長的時間。
黑洞和早期宇宙這些內容都令史蒂芬著迷，于是他把有關的物理學作為自己的主要研究領域。他早期的工作對其他一些研究者產(chǎn)生了巨大的影響，并引領了沉睡的廣義相對論的復興。他后來的發(fā)現(xiàn)涉及相對論和量子理論之間的相互作用，這些發(fā)現(xiàn)幫助創(chuàng)立了“量子引力”這一研究領域。
史蒂芬的一生都獻給了這些思想和現(xiàn)象。他證明，這些話題值得研究，并且他從未止步，一直致力于尋找新的發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過40年的思考和努力，到史蒂芬決定寫《大設計》的時候，他相信自己終于找到了職業(yè)生涯開始時所遇到的最棘手問題的答案——宇宙是如何開始的，為什么會有宇宙，為什么物理定律是這樣的？我們寫《大設計》的目的，就是向公眾解釋他所給出的回答。
《大設計》
你如果準備和某人合作，共同做一個你所熱愛的項目，你倆的思想必須相融相通。而且幸運的話，你們的心也將變得相融相通。通過這場合作，我們成了朋友。一開始，我倆只是個“智慧聯(lián)盟”，其后，這種共事關系變成了一種私人關系。我一開始感到很驚訝，但又認識到其實本不該為此感到驚訝，因為史蒂芬不僅在尋找宇宙的秘密，他還在尋找可以分享這些秘密的人。
史蒂芬小時候常被其他男孩欺負。他的一位高中同學說：“他個子小小的，看起來像只猴子。”成年后，他被囚禁在一個失去正常機能的身體中。他以幽默對抗他人的霸凌，以內心的力量對抗身體的殘障。凡是了解史蒂芬的人，都無法不被他強烈的個人品質或他在科學上的慧眼所影響。本書接下來將分享我和史蒂芬一起工作的經(jīng)歷，以及了解他并成為朋友的經(jīng)歷。我希望能在書中闡明，是什么讓他成為一個如此特別的物理學家，以及如此特別的一個人。他到底是個什么樣的人？他是如何應對疾病的？他的殘障之身是如何影響他的思維的？他對待生活的方式以及對待科學的方式，有何特異之處？是什么啟發(fā)了他，他的想法最初是如何產(chǎn)生的？他主要的科學成就是什么？這些成就在整個物理學中處于什么位置？理論物理學家到底在做什么？他們是怎么做的？以及他們?yōu)槭裁匆鲞@些研究？
隨著我和史蒂芬一起工作的時間日漸增長，我對所有這些問題都有了新的看法，這也包括那些我本來就有自己看法的問題。我會在本書中回顧我們在一起的時光，重溫他生活中的亮點，并跟大家分享我所學到的東西。
《史蒂芬·霍金：友誼與物理學的回憶》，【美】列納德·蒙洛迪諾/著 徐彬/譯，湖南科學技術出版社，2021年12月版
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