注定要被写进科学史的霍金  

钮卫星

  

霍金之前的宇宙学简史

 

宇宙从哪里来?又向何处去?宇宙中的天体是如何运行的?对于这样的问题,在人类历史上出现过多种多样的答案。譬如基督教的回答是这样的:上帝创造了宇宙以及其中的万物;天体的运行也是上帝安排好的。

  古希腊人用几何学来解释日月行星是如何运行的,这些知识被公元二世纪的托勒密(Claudius Ptolemy)汇总在《至大论》一书中,构成我们今天所知的地心宇宙体系。地心说是第一个精密的宇宙模型,用来解释太阳、月亮和当时已知的五大行星如何绕着地球这个宇宙的中心运行。后来该学说被纳入《圣经》的框架,成为基督教的钦定宇宙模型。

  文艺复兴晚期,波兰教士哥白尼(Nicolas Copernicus)从简单性和完美性的信念出发,提出了一个日心宇宙模型,认为地球带着月亮,和其他行星一起,是绕着太阳这个宇宙的中心转动的。熟习宗教法规的哥白尼深知这种想法将会带来的灾难,故直到1543年他去世前一刻才将这种学说以《天体运行论》的书名公开发表。

  在《天体运行论》出版后的50多年里,日心说没有得到很大的拥护也没有召来太多的反对。当时的物理学知识无法解释地球在动这一说法,也没有观测证据支持地球在动。1609年意大利人伽利略(Galileo Galilei)把望远镜指向天空,看到了一系列前所未见的天象。特别是他看到木星有四颗卫星围绕它运转,这一观测否定了地心说的地球是宇宙唯一绕转中心的说法。伽利略热情地宣传日心说,写下了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的名篇(1632年出版),从而引起一些教会学者的疑虑和嫉恨。结果罗马教会的宗教法庭做出裁决:《天体运行论》只能作为一个数学模型在学校讲授;伽利略的著作禁止出版,其本人终身监禁。

  另一位哥白尼学说的信奉者德国人开普勒(Johann Kepler)找到了有关行星运行的更简单的一致性。在1609年其发表的《新天文学》中,开普勒指出所有的行星包括地球沿各自的椭圆轨道绕太阳转动,太阳位于这些椭圆轨道的一个焦点上。用一条圆锥曲线就描述了所有行星的运行,开普勒把宇宙和谐的思想发挥到了极至。

  到此为止人们只是在回答宇宙如何运转的问题。开普勒进而开始寻找让天体运动起来的动力学原因。笛卡尔(René Descartes)在这方面也进行了并不很成功的尝试。直到牛顿(Isaac Newton),以伽利略、开普勒等前贤的工作为基础,终于找到万有引力定律。

  1687年出版的《自然哲学的数学原理》中,牛顿系统地阐明了现在称为牛顿运动三定律的运动学原理;并用万有引力定律在数学上严格地证明了开普勒提出的行星运动三定律。这样上到天体的运行,下到潮水的涨落,都服从于一条简单的定律。人类智力达到了前所未有的自信。

  牛顿为服从他的运动规律的运动物体创造了一个可以自由驰骋的时空――一个无始无终的宇宙。在那里时间均匀流逝,没有起始没有终结。空间均匀而平坦地伸展直达无限。这样的时间和空间为描述一切物体的运动提供了绝对的时间和空间坐标。

  但是牛顿的万有引力定律表明所有物体都相互吸引,宇宙间恒星、星系之间的吸引力应该使得它们要互相靠拢,因而宇宙会变得不稳定。但是当时人们不相信或不愿相信宇宙会是不稳定的。只是后来有人对牛顿宇宙的无限性提出了疑问。

  1826年德国天文学家奥伯斯(Heinrich W. M. Olbers)提出了这样一个想法:假如宇宙真的无限,并且包含无限多的、均匀分布在空间中的恒星的话,这些星光积累起来,会使得星空的每一个角落的亮度都应该跟太阳表面的亮度一样眩目。事实上,我们看到的并不是这样的,黑夜和白天还是很分明。这被称作奥伯斯佯谬,又叫光度佯谬。

  1894年诺曼(C. Neumann)和西里格(H. von Seeliger)又提出,假如宇宙无限大,物质均匀分布,密度处处不等于零的话,那么作用于每一个天体的万有引力将累积到无限大。但是这种现象也没有被观测到。这被称作诺曼-西里格佯谬,又叫引力佯谬。
  在牛顿的无限宇宙框架里,上述两个佯谬难以避免。另外,牛顿的经典力学只解释了宇宙中万物的运行规律,不回答宇宙是如何来的。牛顿保留了上帝的位置,把“第一推动”的任务交由上帝完成。

直到二十世纪初期,爱因斯坦(Albert Einstein)提出广义相对论之后,关于时间和空间的起始和终结问题,关于宇宙的创生问题,才真正变成了一个科学问题,或者说物理学问题,甚至数学问题。

爱因斯坦自己率先利用广义相对论引力场方程进行宇宙学研究。爱因斯坦发现,按照他的引力场方程,算出来的宇宙是不稳定的,宇宙不是在膨胀便是在收缩。因此爱因斯坦在方程中凭空加上了额外的一个宇宙项,这个所谓的宇宙项具有斥力的效应,这样就可以用宇宙项的排斥来抵消物质的吸引。换言之,由宇宙项产生的负时空曲率能抵消由宇宙中质量和能量产生的正时空曲率。

这样爱因斯坦得到一个静态的宇宙模型:宇宙空间是封闭的,但又是无边的、无止境的。就是说宇宙是有限无界的。假如一个光子向任何一个方向辐射出去,那么它会一直在封闭的空间中传播,任何地方也不会碰到空间的边缘,最后还会回到出发地。爱因斯坦的宇宙半径大约35亿光年。

爱因斯坦在发展他的广义相对论的同时,另有一群实测天文学家,他们没有受到过太高深的数学训练,也不接触爱因斯坦的理论。但是他们用当时世界上最先进的望远镜孜孜不倦地观测天空。大概从1910年起,天文学家们在研究河外星系的光谱时,发现星系有系统的红移现象。[1]到1917年,他们搞清楚了,除了少数几个离地球近的星系,所有其他星系都显示出红移现象。星系越远,红移越显著。

1929年美国天文学家哈勃(Edwin Hubble)提出了著名的“哈勃定律”,宣布星系退行的速度(V)与它们离地球的距离(R)大致成正比,即V=H0R,H0称为哈勃常数,现在确定其值为50公里/(秒·百万秒差距)[2]。哈勃常数的倒数可以看做是宇宙年龄,不难算得宇宙年龄大概在200亿年左右。

哈勃红移的发现证明爱因斯坦的静态宇宙模型是错误的。爱因斯坦自己也把宇宙项称作“一生中最大的错误”。后来纷纷出笼的宇宙模型都把哈勃红移考虑在内。其中以美籍俄裔物理学家伽莫夫(George Gamow)等人提出的后来被称作“大爆炸理论”的最为著名,该理论认为宇宙起源于高温高密的“原始火球”的大爆炸。在爆炸开始几分钟里元素从辐射和核粒子的原初混合物中形成。该理论还预言了大爆炸的一个结果,在今天的整个宇宙中有一种剩余辐射,它各向同性,温度为绝对零度以上5度(5K)。

普林斯顿大学的迪克(Robert H. Dicke)根据伽莫夫的理论进行研究,在1964年他也预言了高于绝对零度以上几度的背景辐射。迪克的小组还开始建立一台仪器来探测这种辐射以检验这一理论。与此同时,贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson),正在校正为测试卫星通讯而设计的反射天线。他们以极大的耐心追踪和消去干扰源。但是他们发现,有一种未加解释的辐射来自天空的各个方向,对应的温度大约是3K。他们向迪克咨询引起这种辐射的可能原因,不料获悉他正在积极寻找他们已经找到的东西。

宇宙微波背景辐射的发现对大爆炸理论是一个有力的支持。但在这之前的1948年,三位剑桥天文学家霍伊尔(Fred Hoyle)、邦迪(Hermann Bondi)和戈尔德(Thomas Gold)提出了一个竞争的理论,认为宇宙在大尺度上,包括任何时候和任何地方,都是一样的。在这个“稳恒态”宇宙中没有开始,没有结束。星系在各个方向上简单地飞离,就象烤蛋糕时蛋糕上的葡萄干随着蛋糕膨胀而远离。为了填补星系退行后留下的虚空并保持宇宙总的外观,他们假定物质在星系际空间创生,物质的创生率(每立方公里每年产生一个粒子)恰好用来形成新的星系。霍伊尔在一次广播节目中把与他的“稳恒态理论”竞争的理论戏称为“大爆炸(the Big Bang)理论”,因而成为这一术语的发明者。霍伊尔善于与媒体打交道,一有机会就进行自我推销,所以他的名气十分响亮。

 

初出茅庐的霍金

 

1962年霍金(Stephen Hawking)在牛津的三年大学生涯快要结束,他虽然是一位邋遢、懒散,喝酒时间多于看书时间的学生,但他对数学和理论物理具有独特的天赋和悟性,所以他申请去剑桥大学攻读宇宙学博士学位,并打算师从霍伊尔。为了去剑桥读博士,霍金需要在牛津获得第一等荣誉学位。毕业考试的笔试他的成绩在第一等和第二等之间,需要一次口试来定夺。主考官问他未来的计划,霍金实事求是地说:“如果你们给我评第一等,我将去剑桥。如果我得第二等,我将呆在牛津。所以我希望你们给我第一等。”[3]考官们满足了他的愿望。

剑桥大学安排给霍金的导师是一位他从没有听说过的丹尼斯·夏马(Denis Sciama),而不是霍伊尔。霍金一度将这视作灾难。[4]另一件真正的灾难是,在他进剑桥的第二年即1963年1月,就被诊断出患了肌萎缩性侧索硬化症,也叫运动神经细胞疾病。医生预料霍金活不过两年,但霍金似乎没有为此消沉太久。他发现在疾病笼罩下的生命更珍贵,更为重要的是,来自一位叫简(Jane Wilde)的姑娘的爱情,让霍金有了生活的目的。他们很快订了婚。为了结婚,霍金需要一个工作;为了找到工作,霍金需要一个博士学位。

博士论文的选题颇费了一番周折。其中有两件事对霍金以后的学术道路颇有影响。霍伊尔仍旧在为捍卫他的稳恒态宇宙理论努力工作,他指导的一位研究生纳利卡(J. V Narlikar被指定为他的理论进行一些数学推导。纳利卡的办公室恰好在霍金的隔壁,霍金对纳利卡的方程式很感兴趣。作为物理系的同学,纳利卡与霍金分享了他的研究材料,霍金对这个问题作了进一步研究。几个月后,霍伊尔决定在伦敦皇家学会召开一次会议,宣布他们的研究发现。霍金参加了会议。在霍伊尔报告完毕征求意见时,霍金手拄着拐杖站起来指出霍伊尔方程中的某个量是发散的。[5]这事让霍伊尔怒不可遏,但是年轻的霍金是正确的。为此,霍金写了一篇论文总结了他的数学上的发现,这也是霍金发表的第一篇学术论文。[6]

夏马对那时在伦敦伯克贝克学院的一位年轻的应用数学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose提出的奇点理论很感兴趣,所以经常带着包括霍金在内的他的弟子们去参加有彭罗斯报告的学术讨论会。在那样的座谈会上,他们听到了彭罗斯关于黑洞中央有时空奇点的观点。在一次从伦敦回剑桥的火车上,霍金突然闪过一个念头:“如果将罗杰的奇点理论应用于整个宇宙,不知会发生什么情况?”就是这个念头,使得霍金能够完成一篇有分量的博士论文并顺利获得博士学位,而彭罗斯也将成为霍金最重要的学术合作伙伴之一。

 

经典广义相对论方程的奇点

根据爱因斯坦的广义相对论可以计算出,一个密度足够大的天体会使周围的空间发生强烈的弯曲,并将这一空间与宇宙其余部分割裂开来。当光线靠近这个天体时也发生严重转向,光子只能绕着天体打转而不能进入外部宇宙。因此,这样一个天体不能发光,是黑的。1969年美国物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)很形象地把这样的天体叫做“黑洞”。

对于黑洞这样的天体能不能在宇宙中形成,早在二十世纪二、三十年代就有人研究。1928年一位印度研究生钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)去到剑桥师从著名的天文学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington),在去英国的旅途上,钱德拉塞卡计算出一颗质量大约为太阳质量一倍半的冷恒星,将不能抵抗自身的重力而坍缩。这个质量现在称为钱德拉塞卡极限。质量大于钱德拉塞卡极限的恒星,将坍缩成一种密度极大的状态,甚至一个点。爱丁顿对此极为反感,说自然的行事不会如此荒谬。爱因斯坦也写了一篇论文,宣布恒星的体积不会收缩为零。

虽然1939年奥本海默(Robert Oppenheimer)从广义相对论出发,论证了质量大于钱德拉塞卡极限的恒星会坍缩成一个看不见的天体,但是由于二战的干扰,引力坍缩问题几乎被人遗忘。直到二十世纪六十年代,实测技术的提高激起人们对宇宙大尺度问题的兴趣,黑洞和大爆炸理论成为热门的话题。霍金成为这方面研究的先驱者之一。

1965年到1970年间,霍金跟彭罗斯进行了密切的合作,证明了广义相对论的奇性不可避免。也就是说,按照广义相对论,宇宙必然起源于一个大爆炸奇点。同时,在黑洞中必然存在无限大密度和无限大时空曲率的奇点。这样,时间起始于大爆炸奇点,终止于大挤压奇点(整个宇宙的坍缩)或者黑洞中的奇点(局部区域的坍缩)。这是霍金在经典广义相对论框架里取得的一个重要成果。

 

理论突破:黑洞不黑

  1970年开始,霍金把对黑洞研究的重心从黑洞中心转移到了黑洞边缘。他和彭罗斯把黑洞定义为不能逃逸到远处的事件的集合。这就意味着,黑洞的边界,也叫事件视界,是由刚好不能从黑洞逃逸而永远只在边缘上徘徊的光线在时空里的路径所形成的。在197011月他的女儿刚出生后不久的某一天晚上,在他因为残疾而变得漫长的上床过程中,霍金突然悟到事件视界的面积永远不会减少。这一个发现让他一夜没有睡好。

美国普林斯顿大学的一位学生贝肯斯坦(Jacob D. Bekenstein)把霍金发现的黑洞面积不减跟热力学第二定律[7]联系起来,指出黑洞的事件视界面积就是黑洞熵的量度。有熵就有温度,有温度就有辐射。但黑洞向来是有进无出的,它怎么能辐射能量呢?霍金一开始被贝肯斯坦滥用他的发现所激怒,并写了文章反驳。后来,霍金不得不承认,贝肯斯坦基本上是正确的,但是按照霍金的说法,“是在他肯定没有预料到的情形下”。[8]

19739月霍金访问前苏联,两位前苏联黑洞专家说服了霍金,按照量子力学的测不准原理,旋转的黑洞应该产生和辐射粒子。霍金自己设计了数学方法进行了计算,发现不仅旋转黑洞,甚至非旋转黑洞也以不变的速率产生和发射粒子。辐射粒子的能谱正好是热体辐射的能谱,黑洞以刚好防止热力学第二定律被违反的准确速率发射粒子。后来其他人用不同的方法进行了计算,都证实了黑洞必须象一个热体一样发射粒子和辐射能量。

象黑洞这样一种奇异天体,竟然也服从似乎土得掉渣的热力学第二定律?事情就这样富有戏剧性:在黑洞被提出之初,人们拒绝接受它。在黑洞的奇异性被人们接受之后,霍金要说服人们黑洞也普通热体那样发射粒子和辐射,也颇费了一番功夫。197311月在牛津的一次会议上霍金首次提出黑洞辐射的概念时,受到了普遍的质疑,会议主席甚至宣布霍金的报告毫无意义。

按照经典广义相对论,黑洞的面积不减;但考虑了量子效应之后,黑洞会蒸发,面积会减少,甚至会伴随着大量的γ辐射而消失。[9]霍金在这里首次把二十世纪初发展起来的两个物理理论,即广义相对论和量子力学结合起来用在同一个对象的研究中,并看到了量子效应能去掉经典广义相对论预言的奇点的第一个迹象。另外,由于黑洞存在辐射,大大增加了黑洞被观测到的可能性。

 

量子引力宇宙论

  霍金和彭罗斯证明了经典广义相对论方程的奇性不可避免,所以从经典广义相对论推论出的大爆炸宇宙理论是一个不完备的理论。因为它意味着,在大爆炸开始的奇点处,一切物理定律全部实效。物理定律,也就是人类的智慧,只适用于大爆炸发生之后的极短时间以后,至于大爆炸本身则非人类智力所能及。

1981年,耶酥会组织了一次在梵帝冈召开的宇宙学会议。会议结束时,教皇作了一次演讲,他告诫到会的宇宙学家们:大爆炸以后的宇宙演化是可以研究的。大爆炸本身则不该过问,因为那是创生的时刻,是只能属于上帝的事务。

霍金在这次会议上作了主题为“时空有限无界的可能性”的报告,就是这个报告,取消了上帝在宇宙中存在的最后一点必要性。也许是该篇报告中的数学太过艰深,所以当时没有引起太多警觉。

经典广义相对论的奇性不可避免,所以标准大爆炸模型中时空存在着零点,给了上帝一个容身之地。但是考虑到量子力学的测不准原理,一些基本量度,譬如长度和时间具有测不准性。测不准的程度由普朗克常数确定,从该常数可以定出最小的长度量子,即普朗克长度,为10E33厘米,这远远小于原子核的尺度。测量任何长度不可能比这个更精确,而且比普朗克长度更短的长度是没有意义的。同样,作为时间量子的最小间隔,即普朗克时间,为10E43秒。没有比这更短的时间存在。这就是说,我们不可能把黑洞缩减为数学上的一个点,同样也不能追溯到大爆炸的真正开始时刻。

因此,量子力学排除了奇点。直径比普朗克长度更小的体积是没有意义的,所以零体积点和无限密度点的概念也没有意义了。在宇宙诞生之时,尽管物质密度高得惊人,但不会是无限大。这样,宇宙诞生之初的无限性和奇点被消除,就有可能找到一组方程来描述宇宙的起源和结局。

虽然到目前为止,还没有一套完整而协调的理论将量子力学和引力理论结合在一起,但霍金等人相当清楚这样一套引力理论应该具备的某些特征。在梵帝冈会议的第二年,霍金已经跟他的合作者得出了时空没有边界的宇宙应该满足什么样的条件。霍金要在时空有限无界的假设前提下,应用量子引力理论,给出一个完全自给自足、自我包容的宇宙,在这个宇宙里将完全排除上帝的作用。

 

如何看待霍金的理论?

  与霍金有过数度合作的剑桥大学出版社的一位编辑西蒙·米顿(Simon Mitton[10]一直怂恿霍金写一本宇宙学方面的通俗读物。霍金原本对此不感兴趣,但是考虑到这样一本书可能带来的经济收入可以缓解他的儿子和女儿上学学费的压力,所以在1982年下半年,霍金着手写这样一本通俗读物。这就是后来成为畅销书的《时间简史――从大爆炸到黑洞》。虽然该书的书稿还未完成之前便进入了更大的市场运作,因而没有在剑桥大学出版社出版,但是米顿在看完霍金试写的一个章节后说的一句话至今已成名言:“每个方程式都会使书的销量减少一半!”

霍金果然在《时间简史》中只引用了一个方程式――爱因斯坦的质能方程式。但是,霍金的理论,本质上就是由许多方程式组合起来的一个数学模型。他为黑洞和宇宙构建了这样的数学模型,然后从数学内部的逻辑出发,来预言黑洞和我们身处其中的宇宙应该有什么样的行为。

人们相信数学模型能够逼近物理的真实,这种信念的形成还要归功于古希腊人的智慧。古希腊人尤其是柏拉图(Plato)的哲学,认为我们在经验世界中看到的杂乱无章的运动,譬如天上行星的顺、逆、留等不规则的运动,是不完美的,它们是只存在于一个超感世界里的完美运动在可感世界里的反映。那个超感世界里的完美运动可用数学来描述。其中天体的完美运动应该是匀速圆周运动。古希腊人在这样的信念基础上用他们发达的几何学构建了一个复杂的行星运动的数学模型。这个模型在很长一段时间里对行星运动的解释是有效的。

  我们现在当然不象柏拉图那样本末倒置,把一个数学模型当做物理实在,而把经验世界里可感知的运动当做虚幻。但是,那种构建一种高于经验世界的数学模型的方法,一直是科学史上认识事物规律的有效方法。伽利略也好,牛顿也好,爱因斯坦也好,他们能做出伟大发现的基础,都是遵循了这样的方法。伽利略被尊奉为近代科学的创始人,他的伟大贡献就是首次把数学方法和实验方法结合了起来。牛顿为解决万有引力定律中的疑难,发明了数学的重要分支――微积分学。爱因斯坦的广义相对论思想之所以能得到顺利表达,是因为一种不食人间烟火的与经验世界豪不相干的几何学――非欧几何学早已经建立起来了。

那么一个数学模型究竟能在多大程度上逼近物理的真实呢?或者说,如何判断一个数学模型,或者一个科学理论的可靠程度呢?这其实是科学哲学的经典话题。现在形形色色的科学哲学的流派和理论有点让人目不暇接、难辨是非。霍金持有一种朴素的实证主义观点,在科学哲学上他青睐波普尔(Karl Popper)的证伪模式。

证伪主义认为科学理论的生命力在于它的预言能力,一种理论或一个数学模型,无论构建得多么精致和完美,它都要提出预言,接受实测的检验。牛顿的理论和爱因斯坦的理论,都经受过这样的被证否或证实的检验。霍金的理论也在等待这样的检验。

所以说,我们现在不能说霍金的理论是对还是错,因为检验还没有到来。但无论如何,霍金建立起来的黑洞和大爆炸数学模型,其精致和复杂程度,已远远超出一般人能理解的程度。象这样,在没有任何观测事实的基础上,建造起如此庞大的一个理论大厦或者说数学迷宫,在科学史上虽然说不是绝无仅有,也是非常少见的。[11] 千百年后――应该不用等那么久,不管人类是否证实了黑洞的存在,二十世纪下半叶一位叫做霍金的人所做的关于黑洞的理论研究,都将是那时人们研究科学史的一个经典个案。

 

注定要被写进科学史?

  霍金在伽利略去世的300周年纪念日,即194218日出生。这个巧合似乎给了他一种与生俱来的历史感和使命感,他似乎注定要被写进科学史,与诸位大师列在一起。在伽利略300年忌日出生这个巧合,也似乎让霍金对伽利略产生一种亲近感。霍金为伽利略得到平反昭雪起了很重要的作用。[12] 在他的《时间简史》最后,霍金附上了伽利略、牛顿和爱因斯坦的小传,强烈地暗示了在这本书将来某一年的再版中,将附上作者本人的小传。

1965年霍金获得博士学位后,申请并成为剑桥大学凯斯学院(Gonville and Caius College)的研究员。[13] 1973年霍金进入剑桥大学应用数学和理论物理系。此前,他的工作关系隶属于剑桥大学的天文研究所。1974年因发现黑洞的霍金辐射而成为英国皇家学会会员,时年32岁,这是皇家学会历史上也少有的年轻会员。1979年起,霍金担任剑桥大学的卢卡斯数学教授职位,这是牛顿和狄拉克(Paul Dirac)曾经担任过的职位。1982年,霍金被授予勋爵。

早年霍金为了增加收入贴补家用,曾经写论文参加评奖。现在霍金的经济收入已经不成问题,他的《时间简史》迄今发行2500万册,在英国是仅次于《圣经》和莎士比亚著作的长销书。霍金已经获得了很多大学包括其供职的剑桥大学的荣誉学位,还有各种奖章和奖励,包括一些重要的科学奖。现在大家等待的是,霍金能不能和何时获得诺贝尔奖。

因为诺贝尔奖只颁给获得证实的理论,所以大家包括霍金本人,都在焦急等待对霍金理论的检验快点到来。1999年美国航空航天管理局发射升空的以上文提到的首先提出引力坍缩的钱德拉塞卡命名的“钱德拉X射线望远镜”,其中的一个研究任务就是寻找黑洞的踪迹。

黑洞理论预言,在宇宙中除了引力坍缩形成的黑洞外,还有在大爆炸初始时刻的高温、高压、高密状态,可能形成一种太初黑洞。这种太初黑洞质量不大,更容易因霍金辐射而消失。目前几乎不可能在实验室里模拟大爆炸初始时刻的状态,也许在日内瓦建造中的大型强子碰撞机(LHC)可能实现让高能粒子碰撞而形成一个微型黑洞。2002815日,霍金在浙江大学演讲,演讲最后他说:“一个微小的黑洞不会吃掉地球,不像报纸中绘声绘色的恐怖故事那样。相反地,黑洞将会在‘霍金辐射’的‘扑’的一声中消失,而我将得到诺贝尔奖。LHC加油!”[14]霍金的话也许可以理解成是一种自嘲,但确确实实也透着一种希望。

 

作为英雄和时尚人物的霍金

  霍金还似乎注定要成为这个时代的英雄。孟子说“天将降大任于是人也,必先苦其心志,劳其筋骨,……”,而在霍金身上,简直是先“毁”其筋骨。刚读研究生的第一年,霍金就被诊断出得了肌萎缩性侧索硬化症。起先他靠拐杖帮助可以行走,后来只能依靠轮椅。1985年,霍金由于一次严重的肺部感染,不得不实行气管造口手术,从而失去语言能力。现在霍金终身禁锢在一台电动轮椅上,用仅有的能动的三根手指控制一台带语音合成器的计算机与别人交流。他某种程度是已是一个生物、电子和机械的合成人。

但是霍金不愿意大家看重他的残疾,自己能做的事情他尽量自己做。他以象正常人一样育有两儿一女而自豪。他行动严重不便,但他热衷于去世界各地演讲。截至到200211月底,霍金发表和出版的学术论文和著作共184篇、部,[15]从中也可见他的勤奋。

有人说,霍金取得的成就某种程度上也获益于他的疾病。因为随着霍金取得的成就而带来的名望,如果他是一个正常的健康人,他势必要担任各种行政职务,从而会占用他大量的时间。在大学里他原本是好动而贪玩的人,但是禁锢到轮椅上之后,他只能潜心思考问题了。

这样的分析虽然有一定的合理性,但是霍金没有被这样的疾病击跨,确实需要有一种超越常人的勇敢。另外,霍金还有超越常人的特技,他不能正常翻书阅读,不能书写,但他有超常的记忆力,能在脑子里解算方程。勇敢和智慧,正是一个英雄所应具有的素质。

公众需要有一个英雄来崇拜,但公众不一定要理解英雄。所以在公众面前霍金又几乎成了一种流行、一种时尚,这也将是将来的科学史值得研究的一个有趣现象。

霍金是一个成功地普及了他的学问和他自己的人,他的《时间简史》平均每500人就拥有一册。笔者书房里的书向来很少有人借,而这本《时间简史》却多次借出,至今已不知道转到何人之手,以至于笔者要写这篇文章时不得不去借了一册《时间简史》来参考。

《时间简史》的成功应该说明了霍金写作上的成功。但是,虽然书中只出现了一个数学公式,但要看懂它还是不容易的。湖南科学技术出版社为《时间简史》10年增订本和霍金的新书《果壳中的宇宙》中译本打出的广告词是“阅读霍金,懂与不懂都是一种收获”。这句话很好地抓住了一些人追求流行和时尚的心理。在一些年轻人看来,不读霍金,就象没有去过“新天地”泡吧一样,落伍于潮流了。

而说到懂霍金,应该在多种层面上来说。一个关于《时间简史》的小故事流传较广:霍金的好朋友、新暴胀理论的主要确立者之一,俄罗斯物理学家林德(Andrei Linde)一次在飞机上看到邻座一位商人在看《时间简史》,林德说他觉得这书有些地方看不懂。商人很热心地说:“你什么地方不懂,我来解释给你听。”其实林德的不懂与商人的懂是不在一个层次上的,前者是从专业层次上看有些地方还不懂;后者是从业余爱好层次看,看懂了很多。

而笔者在本文中则试图从科学史层面上阐明霍金的主要理论成果――在经典广义相对论框架里证明奇点不可避免、预言黑洞的霍金蒸发和尝试用量子引力理论说明宇宙的创生和演化――是爱因斯坦之后宇宙学领域内取得的重要理论成就,从而给霍金在科学大师之林中找到一个合适的位置。



[1] 从恒星星光中可以辨认出一些已知元素譬如氢、氦等元素的光谱线,跟这些元素的特征波长相比,这些谱线显示向红端移动,这就是红移。红移意味着这些天体正在飞离观测者。红移量越大,天体退行的速度也越大。

[2] 秒差距是一个天文学上的距离单位,当从遥远的恒星看地球的视线和看太阳的视线张开的角度是一角秒(圆周的一百二十九万六千分之一)时,这颗恒星离地球的距离就是一个秒差距。

[3] 迈克尔·怀特等著《斯蒂芬·霍金传》,上海译文出版社,2002年,50页。

[4] 后来霍金承认夏马是一个很好的导师。他随时可以找到夏马讨论问题,而霍伊尔则总在世界各地游走。

[5] 对发散的量,有些数学运算,譬如积分,是无效的。

[6]这篇论文的题目是“关于霍伊尔-纳利卡引力理论的研究”,发表在皇家学会1965年的《论文集》(ProceedingsA286期上。

[7] 热力学第二定律是描述自然界中热能与机械转移的一条基本规律。由1850年德国物理学家克劳修斯和1851年英国物理学家开尔文确立。该定律有几种表述形式,其中一种可表述为“孤立系统的熵不会减少”。系统的熵等于系统的热量除以系统的绝对温度。

[8] 斯蒂芬·霍金,《时间简史――从大爆炸到黑洞》[10年增订版],湖南科学技术出版社,2002年,98页。

[9] 现在把霍金发现的黑洞辐射称作霍金辐射。

[10] 霍金的学术著作大多在剑桥大学出版社出版,如1973年的首部学术著作《时空的大尺度结构》,1979年的《广义相对论评述:纪念爱因斯坦百年诞辰》,和1981年关于时空无边界构想的《超时空和超引力》等。

[11] 在十八、十九世纪为了从动力学角度来解释各种光学现象而建立起来的以太理论,可以与此媲美。虽然最终实验证明以太并不存在,但是因此而建立起来的各种数学模型如麦克斯韦方程组、洛伦滋变换等在物理学研究中仍旧有效。

[12] 1989年,罗马教皇承认伽利略是被“错误地定了罪”,后来教皇又在世界主教会议上提出重新审理这一案件。

[13]当时新任院长是以研究中国古代科学技术史闻名的李约瑟(Joseph Needham)。根据霍金前妻的记述,李约瑟对霍金是眷顾颇多的,用她的话来说,“是霍金坚定的支持者。”后来霍金的一位妹妹还跟随李约瑟做过一段中国科学史研究。

[14] http://www.culture.zju.edu.cn/new/html/6/113/114/20020831/121552_4.html,浙江大学文化素质网,“霍金浙大演讲:膜的新奇世界(演讲稿)”。

[15] http://www.hawking.org.uk/about/aindex.htmlpublication list (pub.pdf).