霍金的世界:物理学家到科普大咖
发布时间:2018-03-15
出品:科普中国
制作:中国科学院上海天文台 左文文
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  今天,314日,英国著名物理学家史蒂芬·霍金家族的发言人称,霍金逝世,享年76岁。巧合的是,今天还是爱因斯坦的生日。霍金的子女在一份声明中说:我们亲爱的父亲今天去世了,我们深感悲痛。声明称,霍金是一个伟大的科学家,一个不平凡的人,他的研究和成就的影响将持续多年 


图:2006619日,霍金参观天坛(图片来源于网络) 

  还记得去年的323日,霍金开通新浪微博,发了两条微博消息便吸引粉丝几百万,可见他在中国的受关注度之甚。对于很多读者来说,之所以对黑洞感兴趣,部分原因可能正是霍金的科普作品。他在公众面前积极宣传物理理论,并用通俗的语言撰写了不少科普著作,相信大家都读过他的《时间简史》和《果壳中的宇宙》等书籍。大学时,笔者虽读不懂《时间简史》,但深深地被书中的黑洞吸引,最后果断选择黑洞作为自己的研究方向,至今仍然很喜欢。因此,笔者真要感谢霍金给予的启发,也借此机会,将笔者从书中了解到的霍金讲述出来,试图展现一个更全面的他,特别是他做出了怎样的学术成就等。 

  生在战争年代 

   

  童年的霍金(图片来源于百度百科) 

  194218日,霍金诞生在牛津,出生当天刚好是伽利略逝世300年忌日。1942年,在伦敦以及英国南部大部分地区,每夜都还会遭到德国空军的轰炸。当时,牛津与剑桥相对比较安全,因为据说,交战双方好像达成默契,如果德国不轰炸牛津与剑桥,英国就不轰炸海德堡和格丁根。也正因为如此,霍金父母决定迁到牛津,产下霍金。 

    

  父母出身平凡,但均毕业于牛津 

  霍金的父母均为牛津大学毕业生。父亲主修医学,母亲学习哲学、政治学和经济学。霍金有两个亲生妹妹菲莉帕(小1岁)和玛莉(小5岁)以及一个弟弟爱德华(小14岁)。他们都喜欢听聪明的音乐,看聪明的书,罗素是他们共同崇拜的英国人。在别人眼里看来,他家是有点古里古怪的高级知识分子家庭。 

   

  霍金父母(图片来源于网络) 

  求学时的他 

  19529月,霍金进入圣阿尔班斯中学。在校的表现可以总结为这些特点:用功、模样古怪、动作笨拙、聪明、喜欢与有才的小伙伴们分享各种兴趣。朋友表示,他的洞察力很强。 

  19577月,普通班考试之后,学生需要确定选修科目。他也面临过我们或许遇到的问题:自己的兴趣与父母的期望之间存在差别,他自己希望学习数学和物理,因为这两门学科可以帮助他探索宇宙的奥秘;而他的父亲希望他能去学医,认为学数学不好找工作。最后双方都作出让步,霍金报考牛津大学的大学学院,学习物理和化学。 

    

  1959年,年仅17岁的他进入牛津大学,并获取了奖学金。1962年,他进入剑桥大学读博。 

  


图:牛津游艇俱乐部合照(图中拿手帕的为霍金)(图片来源于网络) 

    

  身体给他开了一个玩笑 

  进入剑桥大学之后,霍金决定选择宇宙学作为自己的研究方向。在学习广义相对论时,他发现自己的数学基础不够扎实,学习上面临着一些困难。没过多久,1963年,他发现自己手脚越来越不灵活,后来被诊断有肌萎缩性脊髓侧索硬化症,医生预言可再活2年。 

  他受到了致命的打击,感到绝望,觉得自己的人生就像一场悲剧。“为什么这种事情会发生在自己身上?”他也曾这样问自己。住院的时候,他遇到一件事情,他临床的一个患白血病的男孩死了。这给他带来很大的触动,他意识到,如果自己的生命还能延续一段时间,他还可以做很多有价值的事。 

  那个时候,简•怀尔德的出现和他们之间的爱情给了霍金新的希望,霍金重新恢复信心。为了自己,为了两个人的未来,霍金决定要努力拿到博士学位,在宇宙学方面做一些工作。 

    

  学术成就 

  大家可能都会把霍金和黑洞联系起来,同行们称他是上世纪70年代以来在引力和黑洞领域作出杰出贡献的众多学者之一,究竟霍金做出了哪些学术成就呢?让我们一一了解下。 

  成果1:宇宙早期有一个奇点 

  1965年,数学家罗杰•彭罗斯发现:假设恒星在生命末期会坍缩成黑洞,那么不论恒星原本状况为何,不论它怎样坍缩,它会在黑洞中心坍缩成一个密度无穷大、曲率(弯曲程度)无穷大的时空奇点彭罗斯提出“自然界憎恶裸奇异点”,因为奇点总是隐藏在黑洞的视界中。 

  霍金看到彭罗斯的工作之后,想到如果时间起点存在一个奇点,那么自然界就不一定憎恶裸奇点了,因为时间起点处的奇点不能被隐藏起来。讨论之后,霍金与彭罗斯二人便开始研究这一课题。1966年,他们联合发表了《奇点与时空几何》,并获得了亚当斯奖。 

  在他们研究该课题之前,也有一些科学家认为,如果根据理论来回溯扩张的宇宙,那么时间起点处情况很复杂,粒子将相互碰撞而弹开,产生一个混沌的火球。1969年,二人发展了一种新的数学技巧,用来分析时空中各点的相互关联,消除了粒子间紊乱作用所引起的混沌。他们的结论是,如果广义相对论是对宇宙的正确论述,那么在时间的起点处存在一个奇点。这一奇点同黑洞中心的奇点具有相同的性质,物质密度无限大。 

   

  (图片来源于网络) 

  成果二:运用广义相对论发现,黑洞表面积不减。 

  在黑洞的实际概念还很模糊的年代,霍金将研究的关注点从奇点转移到黑洞视界周围,即最靠近黑洞“表面”所发生的事件。研究兴趣发生改变有多个原因。 

  一方面,无论理论预言奇点处发生什么,都不可能用观测来检验,因为奇点被隐藏在黑洞视界内部(当然处于时间起点处的奇点除外)。但是黑洞视界处的事件,将可能被观测探测到。另一方面,70年代重要的发展,是来自于比光学波长更短的X射线,使得黑洞候选体的发现不无可能。在这些背景下,霍金与彭罗斯期待发展一种方式,来描述黑洞的视界。 

  197011月,霍金与简的第二个孩子露西刚出生不久。一天晚上,霍金慢慢地脱衣服准备睡觉。突然间,他意识到彭罗斯和他在66年发展的证明奇点的技巧(提出了一个黑洞视界的实用数学定义),有许多技巧应该可应用于黑洞。 

  那天晚上,他想到:如果有物质或辐射落入黑洞,黑洞的表面积会增加。即使是两个黑洞互相碰撞而合并在一起,新的黑洞的表面积也大于(或等于)原先两个黑洞的表面积之和。这便是黑洞表面积不减。 

   

  黑洞(图片来源于视觉中国) 

  成果3:运用广义相对论和量子力学发现,黑洞不黑。 

  1973年早期,霍金和彭罗斯开始用热力学现象来类比黑洞。同时,普林斯顿大学有位研究生贝肯斯坦,已不满足于仅作类比,而是将该想法应用于黑洞中。根据热力学第二定律,在孤立系统中,体系总是自发地向混乱程度增大的方向变化,使得整个系统的熵值增大。熵也成为了表征体系混乱程度的物质状态参量。这个年轻的研究生认为,黑洞的视界大小可能正是黑洞熵的量度。 

  但当时霍金很不高兴。他认为,熵与温度有直接的关联,如果黑洞表面积的大小是熵的量度,那么黑洞表面积也必须是温度的量度。但如果一个黑洞有温度,那么热量一定会从它流向寒冷的宇宙,也就是说黑洞会辐射能量。这与黑洞的最基本事实——包括电磁辐射在内的任何东西,都不能从黑洞逃逸——刚好相抵触。于是,霍金与合作者合写了一篇文章,1973年发表在《数学物理通讯》上,指出上述这一点刚好是贝肯斯坦的想法的致命伤。他们说,“事实上黑洞的等效温度是绝对零度……黑洞不可能发射任何辐射。” 

  但不过1年,霍金就改变了主意。故事还得说回1971年,那时霍金发表的理论认为,当我们向时间的起始回溯时,就会发现一段特殊的时期,压力大到足以将任何大小的物质——即使只有几克——压成黑洞。也就是说,大爆炸可能会产生很多甚至比原子核还要小的 “微黑洞”,也许目前的宇宙中还有很多这类微黑洞。 

  按照黑洞的标准,微黑洞的质量很小;但是,按照日常的标准,微黑洞的质量依然很大,例如,质量大约为10亿吨(地球上一座山的质量)的黑洞,大小大约只有质子那样大。要研究这么小的物体,物理学家知道只有使用量子理论,才能探索其中的奥妙。 

  为了更好地解释黑洞的行为,也为了和贝肯斯坦的想法决一胜负,霍金考虑问题时,必须要将量子物理与广义相对论结合起来,最终也只是局部地统一起来。 

  其实早在1973年,苏联物理学家证明旋转黑洞会抛出粒子。苏联物理学家的想法引起了霍金的兴趣,却没有说服他。他开始着手寻找精确的数学形式来描述,最后他发现,非旋转的黑洞也有相同的现象。 

  他的数学方程推出的结论是,所有的黑洞都会发射高能粒子,因此每个黑洞都有温度。这个温度,与根据黑洞表面积是黑洞熵所做的热力学预测完全一致。 

  具体的想法是这样的,根据量子的不确定性原理,真空中的每个微小部分,实际上包含了相当多的能量。能量只能从真空“借用”十分短暂的时间(普朗克时间:1e-43秒),与时间测量本身所固有的不确定性有关。粒子必须成对产生,并在宇宙还没来得及“注意”到这些能量被借走之前,就经由相互间的作用而湮灭。 

  对于一个非旋转黑洞,当一对虚粒子恰好在接近黑洞的视界外部产生时,在量子不确定性允许的极短时间内,其中一个粒子可以被黑洞捕获,这样另一个粒子就没有同归于尽的对象,因此就会携带另一半的能量逃逸。这种方式的辐射被名为“霍金辐射”。 

  这些能量来自于黑洞的重力势能,黑洞的重力势能和质量有关。经过这样的活动,黑洞的重力势能损失,黑洞失去部分质量。如果其他条件不变,黑洞会不断收缩。 

  切记,根据理论,这一过程很慢,即使一个质子大小的微黑洞,蒸发到它将爆炸的时刻,也需要数十亿年之久。与太阳大小相当的黑洞由于“霍金辐射”产生的温度大约是千万分之一开尔文;而对于与质子大小相当的黑洞产生的温度大约在1200亿开尔文。因此当微黑洞渐渐失去质量而变小,最终越来越热,辐射能量的速率越来越快,最后会爆炸产生X射线甚至伽马射线。 

  霍金发现这些理论并发表时,大约在1974年。当时这一结果在一开始,并没有投至《自然》杂志,而是拿去参加了一个名气不大、由美国重力研究基金会主办的论文竞赛,论文标题是《黑洞不黑》。关于黑洞爆炸的正式论文——《黑洞爆炸吗》出现在197431日的《自然》。 

  还记得他的第二项成就吗,早在1971年,霍金就发现黑洞表面积不减,黑洞不会收缩,确立了黑洞与热力学之间的关联。现在他发现,加上量子理论,黑洞与热力学之间的关联更加强了,但也发现黑洞会因霍金辐射,必须收缩。 

    

  成果4:宇宙的起始——无边界假设 

  如果只用广义相对论,可以导出黑洞的表面积不减小;如果再考虑量子理论,那么可能不但能缩小,最后还将化成伽马射线而消失。 

  如果只用广义相对论,则可导出宇宙必定在150亿年前,由一个密度无限大、而体积为0的奇点而产生。因此,霍金向自己提出的下一个问题是:如果将量子效应考虑进去,那么这个宇宙起始奇点的预测,将会有什么样的变化呢? 

  自从20年代量子革命以来,物理学家就一直试图努力构建一个完整的、统一的理论。但事实上,直至今日,仍然没有。但是,霍金集中于一个特殊的难题——时间的起点,量子力学与广义相对论如何统一起来。 

  他在这个问题上取得了一定的进展,但是在80年代初又提出了如下的问题:时间究竟有没有奇点? 

  1981年,霍金在梵蒂冈公布最新发展的理论——应用理查德•费曼的路径积分来解释宇宙的创生。霍金试图利用历史总和法来描述宇宙的整体演化。目前当然这是不可能的,因为仅仅一个宇宙的历史,就包含了每个粒子从宇宙的起始到终点的各个路径。更何况,历史的总和包括每一种可能的宇宙演化路径都加在一起。 

  但是霍金发现,只要利用无边界条件,就能简化计算,不需要考虑每个粒子在时空中的每条路径,而是将历史总和的想法运用到具有不同曲率的弯曲时空,发现广义相对论允许各种不同曲率的宇宙存在,而具有某些曲率的宇宙,可能比其他宇宙出现的几率更大。 

  如何描述无边界条件呢?如果宇宙像黑洞内部一样是个封闭的时空,那么按照标准的大爆炸理论,我们把宇宙想象成一个气球的表面,从宇宙大爆炸到大崩坠,相当于气球从一个点充气变成一个大气球,又接着放气而变成了一个点,起始的点和最后的点在霍金看来就是“边缘”。他的无边界模型就是希望没有边界的宇宙模型。仍然用气球的表面来类比,这时气球的大小不变,球面上的点表示宇宙的某个阶段,把北极点想象成宇宙的起点,不断向南走,气球的圆截面越来越大,表示宇宙空间越来越大,宇宙在膨胀;随着到达赤道之后,再向南走,气球的圆截面越来越小,直至到达南极点,宇宙在收缩,直至崩坠。 

  霍金也强调,这种无边界条件只是一种猜测。但这种猜测源于量子力学的思路和广义相对论理论的局部综合,对宇宙的本质给出了一种想法——宇宙可以不同曲率存在,但某些曲率的宇宙存在的概率更大些。我们不知道答案。 

    

  成果5:“宇宙之外是什么”的初步探索 

  即使霍金提出了一个无边界的宇宙模型,但还是有很多人想知道宇宙的“外面”是什么。1981年前后,其他宇宙学家和霍金开始关注一个问题:一个微小的宇宙种子,怎样成长为如今如此平坦的宇宙? 

   

  宇宙的“外面”是什么(图片来源于网络) 

  他们提出,在宇宙早期的某个时刻经历了急速的膨胀,即暴胀。在这种剧情下,就可能表明,除了我们的宇宙之外还存在着无限多个宇宙,各个宇宙之间,都被超致密伪真空形成的无法穿透的墙永远分割开来。从某个角度来看,这种概念毫无意义。因为既然我们无法看到其它宇宙,它们也绝不会对我们的宇宙产生作用,那么为何还要在乎呢? 

  然而也有理论计算发现,其实造成宇宙的方式不止一种,而且在某些剧情中,不同的宇宙会相互作用,如果有相互作用,我们也许还能试着找下观测证据。天文学是讲究观测证据的科学。 

  在这一领域,霍金也是很感兴趣,并提出一些看法。细节就不在这里细述了。 

    

  科普成就 

  霍金为全球公众所知,一个主要原因是他卓越的科普成就。他积极开展科普,创作了《时间简史》、《黑洞、婴儿宇宙及其他》、《在巨人的肩膀上》和《果壳中的宇宙》等优秀科普书籍,还和他的女儿一起创作了一套乔治系列的科普书,生动有趣地介绍了宇宙的奥秘。他的书有个特点,公式少,故事多,不过还是有点难懂。 

  近些年来,霍金也提出了一些我们认为有些科幻的想法,如他称地球200年内会毁灭,人类只能移民外星球才能生存。他的想法奇特,想来也是不奇怪的。除了想法特别,他还喜欢和人打赌,大家熟知的事情是他和他的好友基普•索恩的打赌。 

   

  图:2016412日,霍金在演讲的台上(图片来源于网络) 

    

  总结 

  一个青年人在21岁时便身患重病,被医生告知只能再活两年,然而在人生后来的55年中,面对身体不适、语言沟通不畅的现实,他运用智慧,或独立地、或与合作伙伴一起,用数学方式证明如果广义相对论是对宇宙的正确论述,那么在时间的起点处存在一个奇点;基于广义相对论发现,黑洞表面积不减;基于广义相对论和量子力学发现,霍金辐射,黑洞表面积会减;初步尝试综合广义相对论和量子力学方法提出无边界条件,发现也许宇宙能以不同曲率存在,但概率不同;参与了对宇宙暴胀理论的研究 

  从事科研之余,他也积极从事科普书籍创作、科普演讲等,为公众带去了知识。为了促进人与人之间的交流,他也是各种科学和社会活动的常客。 

他的成功,离不开身边朋友家人的关心爱护,更离不开他自己的坚持和努力吧。他善于发现乐趣,发现希望。“如果生活没有了乐趣,那将是一场悲剧”。希望霍金一路走好,也祝所有的读者能从他的身上,除了看到天才,还能看到那份努力和乐观。

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