霍金：一生仰望星空

文 / 乔辉

▲霍金漫画像

2018年3月14日，自爱因斯坦以来最有名气的物理学家斯蒂芬·威廉·霍金在剑桥大学的家中安详去世，享年76岁。

霍金1942年1月8日出生于牛津，父亲是毕业于牛津大学的热带病专家，母亲也毕业于牛津大学，研究哲学、政治和经济。

霍金出生这天正好是现代物理学的始祖——伽利略逝世300年的忌日。当然，他并没有把这种巧合当成某种奇迹，他曾经说：“我估计那一天还有其他20万个婴儿出生。”也许又是一次历史巧合，3月14日又恰好是爱因斯坦的诞辰，不知道霍金在天有何感想。

求学经历

霍金在17岁的时候进入了牛津大学，父亲希望他学医，因为学医工作机会更多一些，但霍金却对数学和物理充满热情，最终以物理作为自己的专业。本科毕业后，他拿到了一等学位证进入剑桥大学深造。

在理论物理学中，有两个最基本的方向：一个是研究微观领域的粒子物理学，另一个是研究宏观领域的宇宙学。当年，霍金觉得粒子物理学更像是给各种粒子分类，没有一个统一的理论指导（当年还没有粒子物理标准模型）；而宇宙学中，有现成的广义相对论，于是他选择了后者作为自己的研究方向。

在剑桥大学，有一位世界最著名的天文学家福雷德·霍伊尔。霍金当时也是奔着霍伊尔去的，但未能如愿以偿。他的导师被指定为物理学家席艾玛。事实证明，席艾玛的带学生风格更适合霍金。20世纪60年代和70年代初，他的大部分精力都是用来为他的学生营造一个理想的成长环境，把个人的研究放在了第二位，获得的奖励和荣誉更多的是他的学生，这样的导师更符合蜡烛的精神：燃烧自己，照亮别人。除霍金外，席艾玛还培养了诸如马丁·里斯这样的一大批世界顶级的天体物理学家和宇宙学家。

重要科学贡献

奇性定理

1916年，在爱因斯坦广义相对论刚刚提出后，德国数学家、天文学家史瓦西就得到了爱因斯坦场方程的第一个严格解，即史瓦西外部解或史瓦西度规，也就是数学意义上的黑洞。

然而，现实中是否存在黑洞呢？当时科学界是存在很大争议的。

1939年，美国“原子弹之父”奥本海默及其合作者研究了完全球对称、密度均匀，没有旋转，没有压力的理想恒星的坍缩过程。在这种完全理想的前提下，恒星的质量大到一定程度，黑洞的形成是不可避免的，从而形成与外界宇宙隔离的视界（Horizon）。那么，黑洞中心会形成什么呢？奥本海默并没有给出任何解释。但他的方程却暗示着，在黑洞的中心会形成体积无限小、密度无限大的奇点（Singularity）。

然而，奥本海默的模型太简单了，现实中恒星多少都有旋转，不可能完全不受干扰保持完美球对称。因此，任何非完美的恒星在坍缩的过程中，存在发生反弹的可能性，不会在中心形成奇点。关于这一点，苏联物理学家栗弗席兹曾给出过证明。

1964年，英国数学物理学家彭罗斯利用拓扑学的方法证明，无论有什么干扰，在坍缩黑洞的中心会不可避免地形成奇点，1970年，霍金和彭罗斯证明了，在广义相对论的框架下，我们的宇宙在大爆炸的开端也有一个时空奇点，如果有一天再发生坍缩，必然在大挤压中再次形成奇点。这就是著名的奇性定理。

▲ 1970年，霍金和彭罗斯证明，我们的宇宙在大爆炸的开端有一个时空奇点

霍金辐射

在大家心目中，黑洞是那种只吃不吐的引力怪物。没有任何东西能够逃脱黑洞的束缚，包括光线。上面的认识都是基于经典的广义相对论，当考虑到量子场论效应时，头脑中的观念就要发生改变了。

▲霍金辐射示意图

真空并不是完全的空，而是充满了起伏不定的量子涨落，各种正、反虚粒子对不断产生和湮灭。黑洞视界附近是一个危险的区域，通常那里潮汐力很强，会把“虚粒子对”拉开一定距离，当“虚粒子对”得到足够多的能量时，就会转化为真实存在的实粒子，当处于视界外的粒子飞走时，就带走了黑洞的能量，也是带走了黑洞的质量。这样，黑洞质量就会逐渐变小，该过程又称为“黑洞蒸发”。

另一个等价的图景：一个虚粒子带正能量、一个带负能量，负能量的粒子更容易被黑洞吞噬，留下正能量的粒子逃离黑洞，从而带走能量和质量，黑洞因吞噬了负能量粒子而损失了能量和质量。这也是霍金在《时间简史》中描绘的图景。

根据霍金辐射的计算公式，黑洞的温度与质量成反比，通常黑洞的温度都是非常低的。太阳质量的黑洞，温度只有60纳开，这样的黑洞从宇宙背景辐射吸收的能量要大于因辐射损失的能量，因此永远不会蒸发掉。

理论上，月球质量的黑洞，其温度和宇宙背景辐射的温度相当，恰好能做到收支平衡。因此，可以想象，小质量的黑洞温度会更高。如果粒子对撞机能产生黑洞的话，那么会因霍金辐射而瞬间蒸发掉的，因此无需担心那样小的黑洞吞噬地球。

有理论推测，在宇宙大爆炸初期，会形成小质量的原初黑洞（Primordial black holes），这些小黑洞温度很高，寿命相对较短，会释放出高能伽马射线。如果能探测到这种伽马射线，就能验证霍金辐射的存在。然而，到目前为止，还没有得到令人信服的观测证据，因此霍金也一直没能获得诺贝尔奖。

黑洞面积定理

1971年，霍金理论发现，当黑洞发生碰撞合并时，新形成黑洞的视界面积不能小于合并前黑洞视界面积之和。

▲2015年及其随后几次黑洞合并事件都验证了黑洞面积定理的正确性

2015年9月14日，物理学家首次探测到来自14亿光年外两个黑洞碰撞产生的引力波，两个黑洞的初始质量分别为29个太阳质量和36个太阳质量，合并形成黑洞的质量为62个太阳质量，损失的3个太阳质量以引力波的形式释放到宇宙空间。

根据广义相对论，黑洞的视界半径与质量成正比，因此黑洞的视界面积与质量的平方成正比。简单的计算就会发现，合并形成的黑洞的视界面积大于合并之前两个黑洞视界面积之和。后续的几次黑洞合并事件，也都没违反黑洞面积定理。该定理为黑洞合并产生引力波的效率设定了上限。

曾经有人预测，霍金会因这项工作荣获诺贝尔奖，但最近一次诺贝尔物理奖仍与他无缘。

无边界宇宙模型

1981年，霍金在梵蒂冈召开的一次学术会上提出一个猜想：宇宙没有边界，也没有开始和结束。1983年，他与吉姆·哈特利用量子力学和广义相对论严格论证了他的这个猜想。他们认为，在宇宙大爆炸之前，时间是不存在的，谈论宇宙何时开始没有意义。宇宙大爆炸经典模型中的“奇点”被像北极那样的点代替。虽然人们抵达北极后再也无法继续往北前进，但那里并不存在真正的边界。

科普成就

1982年，霍金首次打算写一本有关宇宙方面的科普读物，有部分原因是为女儿挣一部分学费，主要还是为了向大众普及宇宙学方面的最新进展。经过几年的努力，经历了很多曲折，1988年4月《时间简史》首先在美国出版，首次印刷了4万册，很快就供不应求。出版社赶紧加印，据说夏天还没过完，在美国就卖出了50万册。当年6月，开始在英国出版，几天之内，在伦敦被抢购一空，高居畅销书排行榜首位。

在随后的这些年，《时间简史》被翻译成不下40种文字，全球的累计销量早已超过1000万册。

霍金曾说：“一本科学方面的书籍能和明星的回忆录竞争，也许这样人类才有希望。我很高兴这本书能为一般大众所接受，而不仅仅是学者。当今时代，科学起了巨大的作用，所以我们每个人对于科学是什么都应该有一些概念，这是非常重要的。”

除了《时间简史》之外，霍金还写了大量的科普书籍向公众进行科学宣传，如《时空本性》《果壳中的宇宙》以及《大设计》等。

▲2007年4月，霍金在飞机上体验零重力漂浮

太空梦想

2007年4月26日，霍金搭乘“零重力”（ZERO-G）公司的飞机在大西洋上空进行了失重体验。

医护人员将霍金扶到飞机的前排，让他背靠一块特殊的泡沫枕垫。然后，飞机上冲到万米高空，再急速俯冲回距离地面7000米处，使霍金和其他乘客体验一次25秒的失重状态。霍金这次探险，共完成了8次俯冲，累计3分20秒的失重状态。

飞行前，霍金在接受记者采访时说：“你可以想象，我非常兴奋，在轮椅上呆了差不多40年，现在能够体验零重力飞行真是太好了。”

2014年霍金在与国际空间站航天员对话时说：“2007年，我有幸搭乘‘零重力 ’航班体验了失重飞行，对我来说那才是真正的自由。熟悉我的人都说从未看到过我如此灿烂的笑容，在那短暂的几分钟里，我是超人。像你们这样能当6个月的超人，我只能想象了。”

2015年7月20日（阿波罗登月纪念日），俄罗斯投资人尤里·米尔纳向公众宣布“突破聆听计划”（Breakthrough Listen），旨在通过全球顶级的射电和光学望远镜发现外星人存在的信号。该计划还有一封由著名科学家签名的公开信，包括霍金。霍金说：“宇宙中，一定存在其他生命，现在是寻找答案的时候了，没有比这更重要的事情。”

2016年4月12日，尤里·米尔纳又宣布了“突破摄星计划”（Breakthrough Starshot）。霍金亲临现场为该计划站台助威。

▲“突破摄星”计划的光帆飞行器需要强劲的地面激光阵列供能

▲2016年4月12日，霍金亲临现场为“突破摄星”计划站台

▲2006年6月18日，霍金来到天坛祈年殿前静静的坐在轮椅上与天地对话

该计划设想在地面上建设激光阵列，然后利用激光产生的光压推动极薄、极轻的光帆高速前进，在200万公里的距离上完成加速过程，并使光帆的速度达到光速的20%！以这样的高速奔向最近的半人马座阿尔法恒星系统（4.3光年）仅需20多年。

光帆携带一个厘米大小的芯片，小小的芯片上面集成有核电池、微处理器、导航系统、通信系统、以及高清相机等等，真可谓是“麻雀虽小，五脏俱全”，是一枚真正的探测器。为了节约加速能量，光帆和芯片的质量限制在克量级。光帆和微芯片的组合体可以成群地运行在地球轨道上，等待激光阵列的加速一个个奔向深空。

当然，这个激进的设想给当前人类的科技水平提出了很大的挑战！激光器的连续输出功率要求为100吉瓦（1亿千瓦），相当于五个三峡水电站的输出功率。这样强大的激光对光帆来说简直是噩梦，在承受极大光压的同时，还要承受极高的温度。抵达目标后，微芯片探测器想要把信息发回4.3光年之遥的地球并接收难度极大，因为芯片的发射功率实在有限。

我们知道，霍金为人类的命运操碎了心，他一直鼓励像这种前瞻性的研究，鼓励人类探索宇宙的尝试。但愿该计划进展顺利，让我们这代人有机会目睹奇迹的发生吧。

霍金的一生是与病魔抗争的一生，是仰望星空的一生。借他2006年接受央视采访时说过的一段话作为本文的结束：“虽然我的身体条件有限，但我的思想能够自由探索宇宙，回到时间的起点和深入黑洞当中，人类的探索精神无极限。”

相关链接

霍金的三次中国之旅

1985年，霍金分别在中国科学技术大学和北京师范大学做了科学演讲。那次，他首次登上了长城，成为了他一生难忘的旅途记忆。

2002年，霍金再次到北京参加国际数学家大会，并再次登上长城。

2006年，霍金第三次到北京参加国际弦论大会，并在人民大会堂作了次“宇宙的起源”为题的公开演讲。