黑洞研究者霍金

费德里克·勒维诺 克洛伊·杜朗·帕罗迪

英国天才天体物理学家史蒂芬·霍金是公认的引力奇点之父。让我们回顾他传奇的一生。

史蒂芬·霍金因其幽默感和自嘲而闻名于世。他纪念巴兹·奥尔德林——第二位在月球上行走的人时，可能会对其报之一笑，说道：“我们失去了历史上最伟大的头脑之一，他帮助我们探寻宇宙最深处的奥秘。”诚然，他是天才。但是请不要将他与牛顿或爱因斯坦类比。“尽管如此，他依然是一位伟大的科学家，并为爱因斯坦和其他人所创造的理论作出了重要而持久的贡献。”与其共事许久的法国物理学家蒂博，达穆尔说道。宇宙理论家、天才科普者、社会事业的挑战者与捍卫者、传媒巨星史蒂芬·霍金随着其身体的逐渐衰弱而冉冉升空。他从没有被世事愚弄过。

霍金1942年1月8日出生于牛津，是热带病专家弗兰克·霍金的长子。其母伊莎贝尔·霍金曾在牛津大学学习哲学、政治学和经济学，在那个时期，只有极少数女性能够进入牛津大学学习。霍金出生时是一个外表正常的可爱婴儿。后来，他进入一所应用前卫教学法，鼓励学生自主学习的学校，成为了一名普通学生。直到8岁时，霍金才能够正确阅读。在学生生涯中，霍金从未展现出天才迹象，尽管他的同学们已经对他的数学天赋印象颇深。直到1959年，霍金进入牛津大学，其才智方得到充分发展。

在数学领域进行了一些尝试后，霍金转向了物理学领域。大学期间，他并没有付出太多努力，反而将大部分时间用来培养自己与同学之间的关系，他参加了牛津学院划艇会俱乐部，并成为了一支划艇队的舵手。1962年毕业后，霍金来到剑桥大学继续攻读宇宙学博士研究生。他想要回答困扰他已久的问题：“为什么会有一个宇宙，为什么我们存在？”在此期间，霍金与修讀西班牙中世纪诗歌的学生洁恩·怀尔德坠入爱河。一年后，因为越发频繁的摔倒与行动不便，霍金被诊断为患有不可治愈的神经退行性病变，即渐冻人症。在其21岁时，医生预期他只剩下两年寿命。直到他55年后逝世，这把达摩克利斯之剑始终高悬于他的头颅之上。未婚妻洁恩·怀尔德始终没有放弃他，这将他从这项裁决所导致的抑郁中拯救出来。她试图激起他的斗志，并鼓励他继续自己的工作。霍金厌恶失败，因此重振旗鼓。

1965年，霍金与洁恩结婚，二人生下了3个孩子：罗伯特、露西和蒂姆。同年，在英国物理学家丹尼斯·夏玛的指导下，霍金开始撰写他的博士论文，试图探索宇宙膨胀的关联与结果。在这一时期，大多数物理学家都乐于关注微观粒子的量子世界，而他却更喜欢探索由万有引力理论所调控的无限大的宏观世界，即爱因斯坦的广义相对论。“他甚至成为了这一领域最伟大的理论家之一。”他的前学生、朋友，物理学家克里斯托弗·加尔法德说道。

是时，无限静止宇宙学说盛行，宇宙在空间与时间上永恒不变。这一全然排除了大爆炸的学说并不足以解释宇宙中的所有现象。霍金与数学家罗杰，彭罗斯一起建立了彭罗斯一霍金定理，证实了在宇宙广义相对论被运用前，宇宙存在着一个量子开端，即物理学家所谓的“奇点”。霍金和彭罗斯因此成为了搭建微观世界与宏观世界桥梁的先驱者。

两位理论家在研究工作中发现了宇宙中许多其他的量子奇点：即18世纪提出的著名的黑洞理论，爱因斯坦曾证明其存在。黑洞是在恒星燃烧殆尽其自身的所有碳氢燃料（氢气和氦气）后坍缩的死星。这种坍缩会产生巨大的引力，以至于所有的物质和光线在穿越其范围时都无法逃逸。最大的黑洞质量可达太阳系的数十亿倍。根据霍金和彭罗斯的观点，我们应该将量子物理学运用于对黑洞的解释中，摆脱爱因斯坦的经典物理学。因此，他们提出了奇点理论。第一个黑洞是在1971年被发现的。但黑洞是如何抓住物质，以至于没有任何物质和光线能够从中逃逸的呢？我们必须运用一个间接的方式来解释它。当一个天体即将被黑洞吞噬时，其被加热材料会发出相当可观的可侦测X射线。至于黑洞，它是否真的让任何事物都无法逃逸？

这一次，霍金又通过数学方法证明了量子起源的热辐射从黑洞中逃逸，展现了他的天赋。克里斯托弗·加尔法德解释道：“霍金假设了一个量子粒子正在穿越黑洞。经过大量计算，他得到了一个令人惊讶的结果：这颗量子粒子的其中一部分成功逃逸了！”充满怀疑精神的霍金多次重复计算，并始终得到同一结果。这让他不得不提出这样的观点：黑洞不是全然“黑”的，而是“灰”的。自1974年其结论发表以来，这一历史性的发现在物理学界引发了一场真正的“大爆炸”。但经其他一些物理学家通过不同方法取得相同的结果后，质疑他的人不得不承认他是对的。黑洞确实存在着蒸发现象，这可能导致它们在数十亿年后消失。

为什么这一发现没有为霍金带来一个诺贝尔物理学奖呢？很简单，因为这一辐射尚未被观测到。单凭理论工作无法获得诺贝尔奖，它需要被实验证实。天体物理学家斯诺玛·桑切斯认为，这还需要很长时间：“因为黑洞产生的热辐射远远低于宇宙背景的热辐射。”霍金在他的一生中，从未放弃希望，因为他的研究预设了无数微型黑洞的存在。黑洞越小，辐射越强烈。然而，直至他逝世，也没有科学家观测到这一现象。

辐射存在的益处在于，理论上存在着提取有关黑洞内部特性信息的可能性。这有点像通过分析火灾的烟雾与灰烬，重现烧毁木材的性质。这是20世纪70年代人们最初所相信的研究方法。但霍金通过宣布他的计算，表明在辐射中没有任何信息，立刻毁灭了这一希望。我们需要清楚知道：吸收一头牛和吸收同样质量的钻石会产生完全相同的辐射。宣告信息缺失在学界引发了一场新的“地震”，因为它引起了对宇宙概念的质疑。这与拉瓦锡原则相悖，拉瓦锡原则指出：“没有东西失去，没有东西产生，一切都在互相转化。”如何解释这一悖论呢？为激励同行，霍金曾开玩笑地打赌说，没有人能证明他是错的。此后几年，一些理论家提出了巧妙的解决方案，展示了被吞噬物体的残留情况，但缺乏真正的说服力。直到1997年，他自己的量子研究工作和一名阿根廷物理学家的研究工作使他认识到，辐射后信息可以继续存在，他因而输掉了自己的赌注。2012年，希格斯玻色子（一种质量载体的基本粒子）的发现使得他输掉了另一赌注，他曾说过，这一粒子只会在大型强子对撞机中被侦测到。

即便黑洞具有致命的吸引力，霍金也从未停止过对宇宙起源的追求。1983年，霍金与其圣巴巴拉大学的好友詹姆斯·哈特勒一起，為宇宙的创造提供了数学解释，在其理论中，上帝没有任何位置。他们的研究并不深入细节，他们认为，宇宙会从一个模糊的量子几何图形开始出现，它类似于一个没有边界的球形表面。这一模型最为卓越的一点是，它从数学角度解释了时间的出现。

在霍金的整个研究生涯中，疾病持续地阻碍着他的工作。30岁时，霍金被“钉”在了轮椅上，言谈开始产生问题，只有那些亲近他的人能理解他的言语。1985年，他感染了严重的肺炎，医疗团队建议其妻子洁恩终止维生系统的运行。她拒绝了。但辅助他呼吸的气管切开术使他从此再也无法发声，这让他不得不使用声音合成器进行交流。但没有什么能够阻止霍金继续他的研究。1988年，他出版了自己的第一部科普作品《时间简史》，作品销售超过1000万册。这本书为他带来了世界范围内的声誉，特别是因为出版商把其照片印在书的封面上。一个神话因此诞生：一名纯粹的学者通过其智慧解答宇宙奥秘的神话。事实上，霍金是被那些努力深化他丰富的直觉的优秀学生们所包围的。加尔法德记得，霍金老师要求严格，却充满幽默感，允许他们“看一看研究能够带来什么乐趣”。他确信科学属于每一个人，并且需要传播。在这一点上，他做得如此出色，以至于后来他变成了“摇滚明星”，所到之处皆受到其崇拜者的欢迎，被好莱坞明星赞美，受白宫邀请，在《星际迷航》中扮演他本人，在摇滚乐队平克·佛洛伊德的作品中发声，并在《辛普森一家》系列动画片中拥有自己的角色。

他自比为一个侦查员，分享他对外星人存在的信念，同时警告大家不要与之接触，他在英国的卫生系统受到威胁时声援它，他“鼓励”人们离开太阳系，以更好地警告我们环境正遭到破坏，他捍卫巴勒斯坦人，告诫人工智能和技术武器发展所带来的危险，他有多重立场，其话语被视为权威之言。与此同时，他还尽可能地过着自己的生活：去北极旅行或是体验失重飞行。天才还是偶像？他是人类面对障碍时能够完成一切的榜样。即便他被剥夺了一切，即便死亡已经来到他的脚边，他仍然过着自己想要的生活。在这一点上，他是我们的典范。

[译自法国《观点》]