作者：左文文（中國科學(xué)院上海天文臺）
去年的3月23日，霍金開通新浪微博，發(fā)了兩條微博消息便吸引粉絲幾百萬；今年的3月14日，霍金去世的消息，瞬間刷爆了朋友圈，大家都在談?wù)撍?，但是，你真的了解他的世界嗎?/span>
他是物理大咖，他是科普作家，他是預(yù)言家，他是賭徒……
2006年6月19日，霍金參觀天壇（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
大學(xué)時(shí)代，筆者雖讀不懂《時(shí)間簡史》，但深深地被書中的黑洞吸引，最后果斷選擇黑洞作為自己的研究方向，至今仍然很喜歡。因此，筆者真要感謝霍金給予的啟發(fā)，也借此機(jī)會(huì)，將筆者從書中了解到的霍金講述出來，試圖展現(xiàn)一個(gè)更全面的他。
成長經(jīng)歷
生在戰(zhàn)爭年代
童年的霍金（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
1942年1月8日，霍金誕生在牛津，出生當(dāng)天剛好是伽利略逝世300年忌日。1942年，在倫敦以及英國南部大部分地區(qū)，每夜都還會(huì)遭到德國空軍的轟炸。當(dāng)時(shí)，牛津與劍橋相對比較安全，因?yàn)閾?jù)說，交戰(zhàn)雙方好像達(dá)成默契，如果德國不轟炸牛津與劍橋，英國就不轟炸海德堡和格丁根。也正因?yàn)槿绱?，霍金父母決定遷到牛津，產(chǎn)下霍金。
父母均是名校畢業(yè)生
霍金的父母均為牛津大學(xué)畢業(yè)生。父親主修醫(yī)學(xué)，母親學(xué)習(xí)哲學(xué)、政治學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)?；艚鹩袃蓚€(gè)親生妹妹菲莉帕（小1歲）和瑪莉（小5歲）以及一個(gè)弟弟愛德華（小14歲）。他們都喜歡聽聰明的音樂，看聰明的書，羅素是他們共同崇拜的英國人。在別人眼里看來，他家是有點(diǎn)古里古怪的高級知識分子家庭。
霍金父母（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
求學(xué)時(shí)的他
1952年9月，霍金進(jìn)入圣阿爾班斯中學(xué)。在校的表現(xiàn)可以總結(jié)為這些特點(diǎn)：用功、模樣古怪、動(dòng)作笨拙、聰明、喜歡與有才的小伙伴們分享各種興趣。朋友表示，他的洞察力很強(qiáng)。
1957年7月，普通班考試之后，學(xué)生需要確定選修科目。他也面臨過我們或許遇到的問題：自己的興趣與父母的期望之間存在差別，他自己希望學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，因?yàn)檫@兩門學(xué)科可以幫助他探索宇宙的奧秘；而他的父親希望他能去學(xué)醫(yī)，認(rèn)為學(xué)數(shù)學(xué)不好找工作。最后雙方都作出讓步，霍金報(bào)考牛津大學(xué)的大學(xué)學(xué)院，學(xué)習(xí)物理和化學(xué)。
1959年，年僅17歲的他進(jìn)入牛津大學(xué)，并獲取了獎(jiǎng)學(xué)金。1962年，他進(jìn)入劍橋大學(xué)讀博。
牛津游艇俱樂部合照，圖中拿手帕的為霍金（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
身體跟他開了一個(gè)玩笑
進(jìn)入劍橋大學(xué)之后，霍金決定選擇宇宙學(xué)作為自己的研究方向。在學(xué)習(xí)廣義相對論時(shí)，他發(fā)現(xiàn)自己的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，學(xué)習(xí)上面臨著一些困難。沒多久，1963年，他發(fā)現(xiàn)自己手腳越來越不靈活，后來被診斷有肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥，醫(yī)生預(yù)言他只能再活2年。
他受到了致命的打擊，感到絕望，覺得自己的人生就像一場悲劇?！盀槭裁催@種事情會(huì)發(fā)生在自己身上？”他也曾這樣問自己。住院的時(shí)候，他臨床的一個(gè)患白血病的男孩死了。這給他帶來很大的觸動(dòng)，他意識到，如果自己的生命還能延續(xù)一段時(shí)間，他還可以做很多有價(jià)值的事。
那個(gè)時(shí)候，簡·懷爾德的出現(xiàn)和他們之間的愛情給了霍金新的希望，霍金重新恢復(fù)信心。為了自己，為了兩個(gè)人的未來，霍金決定要努力拿到博士學(xué)位，在宇宙學(xué)方面做一些工作。
霍金和第一任妻子簡·懷爾德（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
學(xué)術(shù)成就
大家可能都會(huì)把霍金和黑洞聯(lián)系起來，同行們稱他是上世紀(jì)70年代以來在引力和黑洞領(lǐng)域作出杰出貢獻(xiàn)的眾多學(xué)者之一，究竟霍金做出了哪些學(xué)術(shù)成就呢？讓我們一一了解下。
成果1：宇宙早期有一個(gè)奇點(diǎn)
1965年，數(shù)學(xué)家羅杰·彭羅斯發(fā)現(xiàn)：假設(shè)恒星在生命末期會(huì)坍縮成黑洞，那么不論恒星原本狀況為何，不論它怎樣坍縮，它會(huì)在黑洞中心坍縮成一個(gè)密度無窮大、曲率（彎曲程度）無窮大的時(shí)空奇點(diǎn)。彭羅斯提出“自然界憎惡裸奇異點(diǎn)”，因?yàn)槠纥c(diǎn)總是隱藏在黑洞的視界中。
霍金看到彭羅斯的工作之后，想到如果時(shí)間起點(diǎn)存在一個(gè)奇點(diǎn)，那么自然界就不一定憎惡裸奇點(diǎn)了，因?yàn)闀r(shí)間起點(diǎn)處的奇點(diǎn)不能被隱藏起來。討論之后，霍金與彭羅斯二人便開始研究這一課題。1966年，他們聯(lián)合發(fā)表了《奇點(diǎn)與時(shí)空幾何》，并獲得了亞當(dāng)斯獎(jiǎng)。
在他們研究該課題之前，也有一些科學(xué)家認(rèn)為，如果根據(jù)理論來回溯擴(kuò)張的宇宙，那么時(shí)間起點(diǎn)處情況很復(fù)雜，粒子將相互碰撞而彈開，產(chǎn)生一個(gè)混沌的火球。1969年，二人發(fā)展了一種新的數(shù)學(xué)技巧，用來分析時(shí)空中各點(diǎn)的相互關(guān)聯(lián)，消除了粒子間紊亂作用所引起的混沌。他們的結(jié)論是，如果廣義相對論是對宇宙的正確論述，那么在時(shí)間的起點(diǎn)處存在一個(gè)奇點(diǎn)。這一奇點(diǎn)同黑洞中心的奇點(diǎn)具有相同的性質(zhì)，物質(zhì)密度無限大。
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
成果2：黑洞表面積不減
在黑洞的實(shí)際概念還很模糊的年代，霍金將研究的關(guān)注點(diǎn)從奇點(diǎn)轉(zhuǎn)移到黑洞視界周圍，即最靠近黑洞“表面”所發(fā)生的事件。研究興趣發(fā)生改變有多個(gè)原因。
一方面，無論理論預(yù)言奇點(diǎn)處發(fā)生什么，都不可能用觀測來檢驗(yàn)，因?yàn)槠纥c(diǎn)被隱藏在黑洞視界內(nèi)部（當(dāng)然處于時(shí)間起點(diǎn)處的奇點(diǎn)除外）。但是黑洞視界處的事件，將可能被觀測探測到。另一方面，70年代重要的發(fā)展，是來自于比光學(xué)波長更短的X射線，使得黑洞候選體的發(fā)現(xiàn)不無可能。在這些背景下，霍金與彭羅斯期待發(fā)展一種方式，來描述黑洞的視界。
1970年11月，霍金與簡的第二個(gè)孩子露西剛出生不久。一天晚上，霍金慢慢地脫衣服準(zhǔn)備睡覺。突然間，他意識到彭羅斯和他在66年發(fā)展的證明奇點(diǎn)的技巧（提出了一個(gè)黑洞視界的實(shí)用數(shù)學(xué)定義），有許多技巧應(yīng)該可應(yīng)用于黑洞。
那天晚上，他想到：如果有物質(zhì)或輻射落入黑洞，黑洞的表面積會(huì)增加。即使是兩個(gè)黑洞互相碰撞而合并在一起，新的黑洞的表面積也大于（或等于）原先兩個(gè)黑洞的表面積之和，這便是黑洞表面積不減。
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
成果3：黑洞不黑
1973年早期，霍金和彭羅斯開始用熱力學(xué)現(xiàn)象來類比黑洞。同時(shí)，普林斯頓大學(xué)有位研究生貝肯斯坦，已不滿足于僅作類比，而是將該想法應(yīng)用于黑洞中。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在孤立系統(tǒng)中，體系總是自發(fā)地向混亂程度增大的方向變化，使得整個(gè)系統(tǒng)的熵值增大。熵也成為了表征體系混亂程度的物質(zhì)狀態(tài)參量。這個(gè)年輕的研究生認(rèn)為，黑洞的視界大小可能正是黑洞熵的量度。
但當(dāng)時(shí)霍金很不高興。他認(rèn)為，熵與溫度有直接的關(guān)聯(lián)，如果黑洞表面積的大小是熵的量度，那么黑洞表面積也必須是溫度的量度。但如果一個(gè)黑洞有溫度，那么熱量一定會(huì)從它流向寒冷的宇宙，也就是說黑洞會(huì)輻射能量。這與黑洞的最基本事實(shí)——包括電磁輻射在內(nèi)的任何東西，都不能從黑洞逃逸——?jiǎng)偤孟嗟钟|。于是，霍金與合作者合寫了一篇文章，1973年發(fā)表在《數(shù)學(xué)物理通訊》上，指出上述這一點(diǎn)剛好是貝肯斯坦的想法的致命傷。他們說，“事實(shí)上黑洞的等效溫度是絕對零度……黑洞不可能發(fā)射任何輻射?！?/p>
但不過1年，霍金就改變了主意。故事還得說回1971年，那時(shí)霍金發(fā)表的理論認(rèn)為，當(dāng)我們向時(shí)間的起始回溯時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一段特殊的時(shí)期，壓力大到足以將任何大小的物質(zhì)——即使只有幾克——壓成黑洞。也就是說，大爆炸可能會(huì)產(chǎn)生很多甚至比原子核還要小的 “微黑洞”，也許目前的宇宙中還有很多這類微黑洞。
按照黑洞的標(biāo)準(zhǔn)，微黑洞的質(zhì)量很小；但是，按照日常的標(biāo)準(zhǔn)，微黑洞的質(zhì)量依然很大，例如，質(zhì)量大約為10億噸（地球上一座山的質(zhì)量）的黑洞，大小大約只有質(zhì)子那樣大。要研究這么小的物體，物理學(xué)家知道只有使用量子理論，才能探索其中的奧妙。
為了更好地解釋黑洞的行為，也為了和貝肯斯坦的想法決一勝負(fù)，霍金考慮問題時(shí)，必須要將量子物理與廣義相對論結(jié)合起來，最終也只是局部地統(tǒng)一起來。
其實(shí)早在1973年，蘇聯(lián)物理學(xué)家證明旋轉(zhuǎn)黑洞會(huì)拋出粒子。蘇聯(lián)物理學(xué)家的想法引起了霍金的興趣，卻沒有說服他。他開始著手尋找精確的數(shù)學(xué)形式來描述，最后他發(fā)現(xiàn)，非旋轉(zhuǎn)的黑洞也有相同的現(xiàn)象。
他的數(shù)學(xué)方程推出的結(jié)論是，所有的黑洞都會(huì)會(huì)發(fā)射高能粒子，因此每個(gè)黑洞都有溫度。這個(gè)溫度，與根據(jù)黑洞表面積是黑洞熵所做的熱力學(xué)預(yù)測完全一致。
具體的想法是這樣的，根據(jù)量子的不確定性原理，真空中的每個(gè)微小部分，實(shí)際上包含了相當(dāng)多的能量。能量只能從真空“借用”十分短暫的時(shí)間（普朗克時(shí)間：1e-43秒），與時(shí)間測量本身所固有的不確定性有關(guān)。粒子必須成對產(chǎn)生，并在宇宙還沒來得及“注意”到這些能量被借走之前，就經(jīng)由相互間的作用而湮滅。
對于一個(gè)非旋轉(zhuǎn)黑洞，當(dāng)一對虛粒子恰好在接近黑洞的視界外部產(chǎn)生時(shí)，在量子不確定性允許的極短時(shí)間內(nèi)，其中一個(gè)粒子可以被黑洞捕獲，這樣另一個(gè)粒子就沒有同歸于盡的對象，因此就會(huì)攜帶另一半的能量逃逸。這種方式的輻射被名為“霍金輻射”。
這些能量來自于黑洞的重力勢能，黑洞的重力勢能和質(zhì)量有關(guān)。經(jīng)過這樣的活動(dòng)，黑洞的重力勢能損失，黑洞失去部分質(zhì)量。如果其他條件不變，黑洞會(huì)不斷收縮。
切記，根據(jù)理論，這一過程很慢，即使一個(gè)質(zhì)子大小的微黑洞，蒸發(fā)到它將爆炸的時(shí)刻，也需要數(shù)十億年之久。與太陽大小相當(dāng)?shù)暮诙从捎凇盎艚疠椛洹碑a(chǎn)生的溫度大約是千萬分之一開爾文；而對于與質(zhì)子大小相當(dāng)?shù)暮诙串a(chǎn)生的溫度大約在1200億開爾文。因此當(dāng)微黑洞漸漸失去質(zhì)量而變小，最終越來越熱，輻射能量的速率越來越快，最后會(huì)爆炸產(chǎn)生X射線甚至伽馬射線。
霍金發(fā)現(xiàn)這些理論并發(fā)表時(shí)，大約在1974年。當(dāng)時(shí)這一結(jié)果在一開始，并沒有投至《自然》雜志，而是拿去參加了一個(gè)名氣不大、由美國重力研究基金會(huì)主辦的論文競賽，論文標(biāo)題是《黑洞不黑》。關(guān)于黑洞爆炸的正式論文——《黑洞爆炸嗎》出現(xiàn)在1974年3月1日的《自然》。
還記得他的第二項(xiàng)成就嗎，早在1971年，霍金就發(fā)現(xiàn)黑洞表面積不減，黑洞不會(huì)收縮，確立了黑洞與熱力學(xué)之間的關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)在他發(fā)現(xiàn)，加上量子理論，黑洞與熱力學(xué)之間的關(guān)聯(lián)更加強(qiáng)了，但也發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)因霍金輻射，必須收縮。
成果4：宇宙的起始——無邊界假設(shè)
如果只用廣義相對論，可以導(dǎo)出黑洞的表面積不減??；如果再考慮量子理論，那么可能不但能縮小，最后還將化成伽馬射線而消失。
如果只用廣義相對論，則可導(dǎo)出宇宙必定在150億年前，由一個(gè)密度無限大、而體積為0的奇點(diǎn)而產(chǎn)生。因此，霍金向自己提出的下一個(gè)問題是：如果將量子效應(yīng)考慮進(jìn)去，那么這個(gè)宇宙起始奇點(diǎn)的預(yù)測，將會(huì)有什么樣的變化呢？
自從20年代量子革命以來，物理學(xué)家就一直試圖努力構(gòu)建一個(gè)完整的、統(tǒng)一的理論。但事實(shí)上，直至今日，仍然沒有。但是，霍金集中于一個(gè)特殊的難題——時(shí)間的起點(diǎn)，量子力學(xué)與廣義相對論如何統(tǒng)一起來。
他在這個(gè)問題上取得了一定的進(jìn)展，但是在80年代初又提出了如下的問題：時(shí)間究竟有沒有奇點(diǎn)？
1981年，霍金在梵蒂岡公布最新發(fā)展的理論——應(yīng)用理查德·費(fèi)曼的路徑積分來解釋宇宙的創(chuàng)生?；艚鹪噲D利用歷史總和法來描述宇宙的整體演化。目前當(dāng)然這是不可能的，因?yàn)閮H僅一個(gè)宇宙的歷史，就包含了每個(gè)粒子從宇宙的起始到終點(diǎn)的各個(gè)路徑。更何況，歷史的總和包括每一種可能的宇宙演化路徑都加在一起。
但是霍金發(fā)現(xiàn)，只要利用無邊界條件，就能簡化計(jì)算，不需要考慮每個(gè)粒子在時(shí)空中的每條路徑，而是將歷史總和的想法運(yùn)用到具有不同曲率的彎曲時(shí)空，發(fā)現(xiàn)廣義相對論允許各種不同曲率的宇宙存在，而具有某些曲率的宇宙，可能比其他宇宙出現(xiàn)的幾率更大。
如何描述無邊界條件呢？如果宇宙像黑洞內(nèi)部一樣是個(gè)封閉的時(shí)空，那么按照標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸理論，我們把宇宙想象成一個(gè)氣球的表面，從宇宙大爆炸到大崩墜，相當(dāng)于氣球從一個(gè)點(diǎn)充氣變成一個(gè)大氣球，又接著放氣而變成了一個(gè)點(diǎn)，起始的點(diǎn)和最后的點(diǎn)在霍金看來就是“邊緣”。他的無邊界模型就是希望沒有邊界的宇宙模型。仍然用氣球的表面來類比，這時(shí)氣球的大小不變，球面上的點(diǎn)表示宇宙的某個(gè)階段，把北極點(diǎn)想象成宇宙的起點(diǎn)，不斷向南走，氣球的圓截面越來越大，表示宇宙空間越來越大，宇宙在膨脹；隨著到達(dá)赤道之后，再向南走，氣球的圓截面越來越小，直至到達(dá)南極點(diǎn)，宇宙在收縮，直至崩墜。
霍金也強(qiáng)調(diào)，這種無邊界條件只是一種猜測。但這種猜測源于量子力學(xué)的思路和廣義相對論理論的局部綜合，對宇宙的本質(zhì)給出了一種想法——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。我們不知道答案。
成果5：“宇宙之外是什么”的初步探索
即使霍金提出了一個(gè)無邊界的宇宙模型，但還是有很多人想知道宇宙的“外面”是什么。1981年前后，其他宇宙學(xué)家和霍金開始關(guān)注一個(gè)問題：一個(gè)微小的宇宙種子，怎樣成長為如今如此平坦的宇宙？
