果壳中的宇宙之王

张雨晨

导言：

霍金先生仙逝已经一月有余，他那饱受疾病折磨的身躯，已然安眠于伦敦威斯敏斯特大教堂，与牛顿、达尔文等科学巨擘共享无上荣光；而他的精神，则作为无价的遗产，留给尘世众生。纵观霍金传奇的一生，不论是科学理论的发现、科学的普及传播还是科学精神的引导，霍金先生都无愧为一代科学伟人。

在这喧哗散去、尘埃落定的时刻，让我们沉下心来，静静品味霍金留下的吉光片羽，以“继承”——这一最符合他生前期望的方式，祭奠那从未离我们远去的传奇。

一、符号中的黑洞

不论一生何等传奇，斯蒂芬·威廉·霍金首先是一名科学家。

作为一名物理学家，霍金先生在科学上的主要贡献，就是对“黑洞”这一宇宙中最为神秘的天体进行的理论研究。

提起黑洞，很多人的脑海中都会浮现出一个孤悬星海的黑色旋涡，一刻不停地疯狂吞噬着任何靠近它的存在。早在18世纪，数学家拉普拉斯就通过牛顿构建的物理体系，大胆预言了用强大引力束缚光线的黑色天体。但因为理论基础的滞后，直到第一次世界大战爆发后的1915年，德国科学家卡尔·史瓦西才基于爱因斯坦的广义相对论，从数学理论上预言并描述了黑洞的存在。但不幸的是，作为黑洞研究先驱的史瓦西，却未能看到他的理论开花结果——残酷的战爭在他诞生伟大思想之后不久便夺去了这位伟大科学家正值盛年的生命。当然，黑洞这种即便是现在都很难直接观测的天体，在史瓦西之后的很长一段时间内，仍然只是一种理论层面的猜想；甚至连史瓦西本人，都对黑洞是否真实存在表示了基于科学精神的谨慎怀疑。

不过，当历史进入到20世纪后半叶，随着物理学的飞跃发展，以及观测与计算技术的长足进步，原本无比神秘的黑洞，经过霍金等大批人类英才的深入研究，逐渐揭开了面纱的一角。

我们现在已经知道，宇宙中的黑洞，主要来自于超大质量恒星临终时毁灭性爆发后塌缩的核心。拜其巨大的质量所赐，黑洞有着极为强大的引力，可以扭曲附近的时空，甚至作为速度极限的光，如果离黑洞太近，也难逃被吞噬的厄运。这条逃逸速度等于光速的临界线，就是黑洞的表面——视界。

这个视界半径以黑洞研究先驱史瓦西的名字命名。不过，这个数值并不仅仅针对黑洞，任何有质量的物体，都可以算出自己的史瓦西半径。比如说我们生活的地球，虽然有着相对于人类日常生活来说全无可比性的59万亿亿吨质量，但它的史瓦西半径却只有区区9毫米。也就是说，即便强行将地球整个压缩成黑洞，它的视界半径也就相当于一个粉笔头。

在视界之外，黑洞的物理特性和一般的大质量天体并无根本性差异。如果一位遨游星海的未来航天员不幸掉入黑洞，那么早在他越过神秘的视界之前，黑洞引力形成的潮汐力就足以将他撕得粉身碎骨。反之，对于一些巨大的黑洞，如果将史瓦西半径围住的空间算作体积，那么它们的“密度”甚至并不比常规物质高出多少。

而在视界的内部，却有着连光都无法逃逸的强大引力，其中的信息全无被外界直接观测的可能，可谓是一个探测手段无法触及、人类常识难以理解的神秘世界。黑洞的本体——理论上密度无限大、体积无限小的奇点，就位居正中。

正因为黑洞的本体深藏于“只进不出”的视界帷幕之后，所以对黑洞的研究就成了一座难以攀登的科学险峰。

霍金在他科研生涯的早期，基于传统的相对论与天体物理学框架，对黑洞的性质进行了理论上的探索，推导出了一些有关黑洞的规律。比如说，霍金等人从数学上证明，在从恒星残骸塌缩为奇点的过程中，黑洞丢失了绝大部分的信息。换而言之，一个成型的黑洞，将只会保留质量（引力和视界半径）、电荷以及角动量这三个基本特征，至于其他的“前世因缘”，则全部被强大的引力一笔勾销。这样一来，黑洞就成了宇宙中外部特征最简洁的天体，描述起来反而变得非常简单。

正是凭借这条“无毛定理”，我们可以根据黑洞三大特征的具体情况，将它们分成四大类。其中，不旋转、不带电的黑洞被称为“史瓦西黑洞”，旋转但不带电的被称为“克尔黑洞”，不旋转却带电的称为“R-N黑洞”，既旋转又带电的被称为“克尔-纽曼黑洞”。更为奇特的是，当黑洞旋转起来之后，视界将分离成内外两层，而奇点则会变成环形。原本“不可名状”的黑洞，在数学工具的解构下，逐步显露出了自己的真面目。

然而霍金并不满足于自己早年的成就。为了更深刻地理解这种神秘的黑色天体，他将原本用于研究极微观世界的量子力学与探索极宏观宇宙的天体物理学进行了交叉融合，利用量子力学的全新理论，探索黑洞的奥秘。

经过复杂的计算，霍金惊讶地发现，如果将量子力学中对真空能量涨落的描述引入黑洞的数学模型，那么原本“一毛不拔”的黑洞将有可能开始丢失能量。

简而言之，在量子力学的观念中，真空虽然看似平静，却无时无刻不充斥着正负虚粒子对的诞生与湮灭，这样持续涨落的动态平衡，才是真空的本来面目。如果将量子力学对真空的描述代入黑洞的体系，就有可能出现这样的情况：在黑洞视界的边缘出现一对正负粒子，如果它们马上彼此湮灭或者双双被黑洞吞噬，那倒也好说；但贪婪的黑洞也有可能在它们还来不及湮灭时，就“吃掉”了携带负能的虚粒子，却意外地放过了携带正能的虚粒子，并让其在黑洞之外成了实粒子。如此一来，黑洞就损失了一份实粒子的质量，也可以等价于黑洞向外发射了一个粒子。此外，负能虚粒子本身无法独立存在于黑洞之外的环境，所以并不会出现黑洞吞掉正能虚粒子却放过负能虚粒子的情况。

正是因为黑洞有可能在量子力学框架下出现这样的“挑食”行为，所以霍金通过数学手段证明，黑洞并不是真正的“漆黑一片”，而是会因为附近空间的量子涨落而出现向外“蒸发”物质、放出射线的情况。这种看似玄乎的现象，就是大名鼎鼎的“霍金辐射”，也是霍金最重要的科学成就！

经过严密计算，霍金等人发现，“霍金辐射”的速度与黑洞的质量成反比，越大的黑洞，“蒸发”越慢。这多少有点儿类似我们平时接触的热学现象——体积越大的东西，相对表面积越小，所以凉得越慢。而当黑洞质量变得较小之后，这种“蒸发”将会越来越快，最后甚至成为“爆炸”，在极短时间内将黑洞剩余的质量全部抛出，彻底终结这个黑洞的存在。

按照霍金的推断，科幻作品中屡屡出现的“人造微型黑洞毁灭世界”桥段，实际并不会那么可怕——这些诞生于超级对撞机中的超小号黑洞在形成之后根本来不及“吃饱”就会迅速“人间蒸发”，落得个瞬间灰飞烟灭的下场，并不会对宏观的人类世界造成任何可见的影响。

但是，霍金虽然从数学上对黑洞的辐射现象给出了严谨可靠的推断，其理论也得到了物理学界的广泛接受，可对于自星骸中诞生的庞大黑洞来说，“霍金辐射”即便真的存在，也将十分微弱。直到目前，人类穷尽所有的观测手段，依然没能在宇宙中直接观察到可靠的霍金辐射。另有一些人，则转而去寻找宇宙早期黑洞最后急速“蒸发”时产生的耀眼余晖，然而他们同样也还没有获得足以令科学界信服的过硬证据。

正因为这一非凡思想终究只是停留在纸面上的理论，所以霍金纵然对人类物理学发展做出了突出的贡献，但也无法获得颁奖标准严谨保守、更倾向于“盖棺定论”的诺贝尔奖。但没有获得诺贝尔奖，既不能成为评价霍金科学贡献大小的标准，也非诺奖评委有眼无珠。可以说，霍金等一批科学英才“取得巨大理论成就却没得诺贝尔奖”的现象本身，反而是现代科学“大胆设想、小心求证”精神的最好写照。

二、轮椅中的巨人

绝大多数人对霍金先生的第一印象——也是最深刻的印象——都是他瘫坐于高科技轮椅中的形象。

霍金所患有的这种疾病，被科学家们称为“肌萎缩侧索硬化”。而民间则给这种名字不好念的疾病起了一个生动的俗名，叫“渐冻症”。意思就是说，患有这种疾病的人，身体的运动能力越来越差，就像逐渐被冻住了，最终都难以避免像霍金那样完全无法运动的结局。

那么，这种折磨着霍金等人的怪病是什么原因导致的呢？这得从我们正常情况下如何运动说起。在健康的时候，我们之所以能够自如运动，都是靠着遍布我们全身各处的肌肉。比如说，四肢的肌肉，通过有规律的收缩舒张，准确地拉动各个关节，就可以让我们迈开双腿走路、抬起双手操作各种工具；眼球周围的肌肉，则能帮助我们眨眼睛、转眼球；咽喉与口腔的肌肉，能让我们吞咽食物、妙语连珠；肋骨间的肌肉，则可以通过活动胸腔，使我们自如地呼吸空气。这些肌肉，就是人体这部大机器上的一台台发动机，彼此精密配合，让我们能够自由地运动、健康地生活。

但是想要让身体运动，不光需要肌肉，还要有控制肌肉运动的神经。一辆赛车即便马力再强劲，如果没驾驶员踩油门，也只能趴在起跑线上。同样，人体的肌肉也需要神经系统来指挥它进行运动。在我们的大脑和脊髓里，就有这样一群专门负责控制肌肉运动的神经元。这些运动神经元，有的是“指挥官”，待在大脑皮层里，向下伸出一根长长的轴突，作为往下传达运动指令的“电话线”。还有一些神经元位于小脑，作为“秘书”，负责将大脑皮层笼统下达的命令加工成细致协调的作战计划。另有一些位于脊髓的运动神经元，相当于“书记官”，负责抄送分发文件。而最下游的运动神经元，就是最后的“传令兵”，它们的轴突末端连接在肌肉上，就像一只悬在开关上的手指，随时准备按下开关，指挥肌肉运动。

那么，霍金为什么瘫在轮椅上起不来呢？是控制运动的肌肉出了问题？还是控制肌肉的运动神经元出了问题？经过长期的临床和病理学研究，科学家发现在“渐冻症”患者的身体里，最先出问题“牺牲”的是运动神经元。随后，运动神经元所控制的肌肉因为无人指挥，也很快就跟着萎缩掉了。

也就是说，正是因为运动神经元首先死亡，并使得肌肉跟着萎缩，才让霍金等“渐冻症”患者的运动能力逐步下降，最终彻底丧失的。

至于为何“渐冻症”患者体内会出现针对运动神经元的特异性病变，目前依然没有定论。一种较为广泛接受的假说认为，在这些患者体内，运动神经元由于某些尚不明确的原因，会额外积累代谢产生的毒素，最终因无法及时清理而死亡。而且运动神经元和人体内绝大部分神经元一样，作为其本体的“胞体”在成年以后几乎完全无法再生补充，可以说是“坏一个少一个”的“限量品”。因此，一旦这个毒害过程开始，其症状就几乎无法逆转，即便有办法及时清理毒素，也只能保住残存的运动神经元，而难以重建完整的运动能力。

事实上，大部分“渐冻症”患者都不如霍金这么幸运，由于不能得到如此先进的照顾和治疗，他们生活的痛苦可想而知。但另一方面，霍金的病情与寻常的“渐冻症”也有很多不同之处。他能够“带病延年”五十五载，绝对可谓奇迹。不过这种情况在临床医学上却并非无法解释。因为人类的个体差异，同样的疾病对于不同患者来说可能有着大相徑庭的表征和预后。而像“渐冻症”这样我们了解深度可能还不及黑洞的复杂疾病，经过基础医学的深入研究后，甚至可能会发现其实是几种症状相似但致病机制不同的疾病，那么患者的命运，自然也会有所不同。

但不管如何，我们可以肯定的是，霍金先生在二十出头的大好年华就不幸遭遇了严重的神经损伤，但他却以常人难以想象的巨大毅力，以及更加超人的幽默感坦然面对了自己的命运，并走完了自己堪称奇迹的精彩一生。也许，正是他在脑中仰望的浩渺苍穹，给予了霍金超然面对人生的豁达与乐观，让他拖着如此的残躯，登上了远高于绝大多数人的精神顶峰。

三、脑海中的星空

对于大部分人来说，霍金更多是一名科普作家。

《时间简史》固然是有史以来最为畅销的科普读物之一，但买下它的人虽多，打开它的人却少。更多的人，只是将它以及霍金先生本人，作为一个象征科学的符号，不假思索地加以收藏，装点自己的门庭。

然而霍金先生本人对于自己的盛名却泰然处之，并不介意众人对他的形象进行消费。相反，他以惊人的幽默感，积极参与到各类社会活动中，甚至曾在《星际迷航》与《生活大爆炸》等影视剧中粉墨登场、本色出演。至于借用霍金形象的艺术作品，更是数不胜数。欧美的自不必说，在大刘的《朝闻道》《中国太阳》等作品中，霍金也扮演了画龙点睛的重要作用；甚至在更加商业化的日本动画《机动战士高达》里，霍金也曾被制作者画进荧幕，成了科学精神的象征。当霍金先生离世后，科幻游戏《星战前夜》中的玩家们自发地点亮了传送信标，让游戏中堪比黑暗森林的宇宙，为科学巨人而闪耀。

对于自己积累的巨大人望，霍金先生也未曾挥霍。在各种公开活动中，他反复地提醒台下的听众，人类虽然取得了如此之多的科学成就，但也面对着诸如能源危机、环境污染、核武器扩散甚至人工智能等来自科学的挑战。不过，不同于很多提倡“回归”所谓“田园生活”的批评家，霍金先生对于这一切问题给出的解决方案依然充满了科学精神，那就是——走出去，摆脱重力对思想的束缚，勇敢地踏入头顶的群星！正如科幻先驱威尔斯在百年之前所言，人类文明的命运，“要么遍布宇宙，要么彻底灭亡”。

对于霍金，继承他的探索精神，就是最好的祭奠。

【责任编辑：刘维佳】