2018年3月14日，史蒂芬·霍金與世長辭，享年76歲。他是一位成就不凡的理論物理學家，一位風行全球的科普作家，一位語出驚人的意見領袖。同時，他也是一位堅韌不拔的罕見病患者，一位曾經(jīng)在20多歲時被醫(yī)生“判死刑”，又樂觀地生活了50多年的傳奇。
在大多數(shù)人看來，霍金更像是一個純粹的文化符號——每個人都知道他的名字，卻幾乎沒有人真正理解他做了什么。其實，霍金在一生中做過的很多科學研究，它們可以總結成一句話：“如何摸到愛因斯坦尋覓的那只大象”。其中有兩個貢獻非常著名，一是證明“宇宙大爆炸始于一個奇點”，二是證明“黑洞是有溫度的”。
宇宙是怎么來的？
在上世紀60年代，霍金面臨兩個選擇，要么去研究微觀的粒子物理學，要么去研究宏觀的宇宙學。
當時的霍金選擇了后者，不久，他關注了宇宙學中的奇點問題。這個問題最早可以追溯到1915年，愛因斯坦提出的、描述彎曲時空動力學的廣義相對論。在廣義相對論中，如果不考慮維度的區(qū)別，那么宇宙的時空就像是一塊無限延伸的“桌布”。如果像給地球畫上經(jīng)線和緯線那樣，在桌布上建立時空的坐標系，我們就會看到很多正方形的格子，每一個格子代表時空中的一塊單元。
如果宇宙中不是空無一物的，而是存在物質，那么物質產(chǎn)生的引力場會讓格子扭曲變形。引力場越強，扭曲的就越嚴重。1965年，數(shù)學家羅杰·彭羅斯證明，當引力場的強度超過某一極限時，比方說，一顆大質量恒星坍縮成一個黑洞時，黑洞中心處的時空格子就可能發(fā)生極度扭曲，形成一個“奇點”。如果你把格子的一組平行線的方向看作時間，另一組平行線看作空間，并且給時間標上箭頭，表示時間流逝的方向，我們就會發(fā)現(xiàn)奇點就像是一個泉眼，時空的格子在時間箭頭的指引下源源不斷的流出來；或者奇點就像是浴缸的漏口，時空的格子被時間箭頭驅使著流進去。
像北極一樣的奇點
霍金讀到彭羅斯的工作后，便打算把這個理論應用到宇宙學中。
基于當時的理論研究和天文觀測，人們知道宇宙是從一次“大爆炸”中誕生的。1970年，霍金和彭羅斯共同發(fā)表論文提出，如果廣義相對論（以及其他幾個數(shù)學條件）是正確的，那么在宇宙大爆炸必然是從一個奇點開始的。
關于這個新奇的理論，霍金曾在公眾演講中給出一個形象的比喻。設想地球的北極附近畫滿了經(jīng)線和緯線。地球上的每一點都有確定的經(jīng)度和緯度，每一點上都有東西南北四個方向。然而在北極的極點處，不但沒有確定的經(jīng)度，而且沒有東西方向，也沒有北，所有的方向都指向南方。這就很像是宇宙大爆炸開始時的奇點——那里沒有過去，只有未來，就像北極的極點上只有南，沒有北。如果有人想問，在這個理論中，大爆炸之前發(fā)生了什么，那么我們只能回答，大爆炸是最初的開端，沒有“大爆炸之前”這個說法。
這個研究叫作“彭羅斯-霍金奇點定理”。與其說它描述了宇宙的開端，不如說它揭示了廣義相對論的一個特性。我們的宇宙到底是不是始于一個奇點，奇點定理并不能給出回答，因為它在一開始時就需要假設廣義相對論是正確的，并適用于宇宙開始時的極端情況。然而沒過多久，霍金就用另一個更重要的發(fā)現(xiàn)，顛覆了我們對宇宙和廣義相對論的認識。
黑洞也有溫度
在廣義相對論中，黑洞是一個極端的天體，任何物質，包括光，一旦進入它的引力范圍就無法逃脫出去。在當時的物理學家看來，黑洞的溫度應該是絕對零度。因為任何物體，只要溫度高于絕對零度，就會源源不斷地向外發(fā)出輻射。廣義相對論告訴我們，黑洞連光都能吞進去，怎么可能向外發(fā)出輻射呢？
霍金一開始也是這樣認為的。但是在1972年，著名黑洞專家惠勒的弟子，普林斯頓大學的博士生貝肯斯坦提出一個猜想，他認為黑洞像普通物質一樣，也擁有熱力學的熵，而且熵的大小和它的表面積成正比。如果貝肯斯坦的結論是成立的，那么根據(jù)熱力學的知識，有熱力學熵的黑洞必然存在溫度，有溫度的黑洞必然向外發(fā)出輻射。這個結論在當時太過超前了，連霍金本人都不能輕易接受。（也許是抱著證偽貝肯斯坦結論的態(tài)度，未經(jīng)證實）結果在1974年時，霍金發(fā)現(xiàn)，貝肯斯坦可能是對的。黑洞確實會發(fā)出輻射，黑洞是有溫度的。
霍金和他的合作者在1974-1976年間的一系列工作中指出，要想知道黑洞到底有沒有溫度，不能只考慮廣義相對論，還要考慮彎曲時空下的量子力學效應。我們知道，愛因斯坦提出廣義相對論之后，就一直念念不忘，希望將描述宏觀世界的廣義相對論和描述微觀世界的量子力學統(tǒng)一起來。但是直到愛因斯坦去世，他也沒能瞥見“統(tǒng)一理論”這頭大象的影子?；艚鸬难芯渴且粓黾皶r雨，讓苦苦尋覓“統(tǒng)一理論”的科學家找到了一個突破口。從那時開始，理論物理學家不但見到了大象的影子，還隱約摸到了大象的輪廓，讓我們對“統(tǒng)一理論”有了更具體的認識。
通向統(tǒng)一理論的突破口
霍金的證明涉及量子場論和廣義相對論的復雜公式。我們打一個通俗的比方，霍金指出，黑洞表面附近的“真空”和無窮遠處平坦時空的“真空”是不一樣的，就好比地球的一個時區(qū)和另一個時區(qū)之間存在時差。
通過霍金等人的計算我們知道，在無窮遠處的觀察者看來（因為有時差），黑洞附近的“真空”不是真正的真空，而是一鍋不斷產(chǎn)生正反粒子對的“熱湯”（跟時差不同的是，其中的關系不能反過來理解）。黑洞熬出的熱湯有一定的溫度，會不斷向外發(fā)出熱輻射，這樣的輻射就叫作霍金輻射。如果黑洞輻射的速率大于黑洞吸收周圍物質的速率，那么黑洞的質量和表面積就會隨著時間減小，這個過程叫作黑洞蒸發(fā)?；艚疠椛錁O其微弱，物理學家雖然認為它在理論上是成立的，但從來沒有在天文觀測中發(fā)現(xiàn)過它的存在，這就是為什么霍金的貢獻非常重要，但就是沒有辦法獲得諾貝爾獎的原因。
雖然我們無法觀察到黑洞發(fā)出的霍金輻射，但是從霍金的研究出發(fā)，后來的科學家又做出了很多驚人的發(fā)現(xiàn)。例如，如果黑洞的溫度和熵是怎么來的呢？在物理學家看來，只有把量子力學和廣義相對論相結合，研究出“統(tǒng)一理論”，才能真正地搞清楚黑洞的溫度和熵是怎么來的。1996年，哈佛大學的斯特羅明格和瓦法用超弦理論計算出了黑洞熵的大小，計算結果跟霍金和貝肯斯坦的結果高度一致。這個結果說明，超弦理論是我們研究“統(tǒng)一理論”時的一個非常有價值的工具。
信息到底丟不丟失？
霍金輻射的另一個重要影響是，我們需要搞清楚宇宙是否允許“信息丟失”。這是因為，任何一種已知的物理學基本方程都不會破壞信息，它們只會讓粒子的狀態(tài)不斷變化，將信息不斷“加密”。理論上講，只要你找到正確的“解密”方法，總可以將粒子攜帶的信息讀取出來。然而，黑洞的霍金輻射是一種混亂的熱輻射，黑洞不會記得之前吞進了什么信息，只會蠻不講理地隨機向外發(fā)出輻射。于是，信息會全部變成“亂碼”，不可能再還原出來。這就跟基于量子力學的物理學基本方程產(chǎn)生了矛盾。
霍金堅信他的計算是正確的，還為此跟物理學家普雷斯基爾打賭，說黑洞一定會讓信息丟失。結果在2004年時，霍金承認自己賭輸了，并如約賠上普雷斯基爾一本《板球百科全書》。這是因為，一位超弦理論物理學家馬爾達希納發(fā)明了一種對偶的數(shù)學方法，這種方法也可以看作是霍金輻射理論結出的一枚碩果。通過這種方法，霍金可以把描述某種黑洞的方程轉化成一種特殊的量子力學方程。由于任何一種已知的物理學基本方程都不會破壞信息。所以，這就間接證黑洞也不會破壞信息。
雖然霍金承認賭輸了，但是賭局遠沒有結束。物理學家波爾欽斯基指出，如果黑洞不會破壞信息，那么落入黑洞的粒子就可能在黑洞附近點燃一面炙熱的火墻。通俗的解釋說，這就好比當《星際穿越》的主角庫珀穿過黑洞表面時，遠方的布蘭達卻會認為他被火墻燒死了，否則，量子力學的某些基本原則就必須推翻。這個糟糕的問題叫作“火墻悖論”。 也許是這個悖論讓霍金有點兒受不了，在2014年時，霍金上傳了一篇論文，叫作《黑洞的信息保存和天氣預報》。在論文中，霍金試圖通過修改黑洞的定義，讓這個問題看起來沒那么嚴重。然而這個努力并沒有奏效，到目前為止，火墻悖論仍然是籠罩“統(tǒng)一理論”那只大象的一團迷霧。
一位名副其實的大師
除了證明“宇宙大爆炸始于一個奇點”，和“黑洞有溫度”之外，霍金還做過不少很有創(chuàng)新性的工作。例如，為了不讓宇宙中存在奇點，霍金還曾經(jīng)和合作者哈特爾提出過“無邊界理論”。在這個理論中，宇宙的時間和空間不是始于一個奇點，而是從空間的量子漲落中自發(fā)地冒出來。在霍金看來，這個研究有著非常重要的哲學意義，因為“如果宇宙沒有邊界，而是自成一體……那么關于宇宙的產(chǎn)生，上帝就沒有任何插手的余地了?！?/p>
豐碩的研究成果，為霍金帶來了無數(shù)榮譽。1974年，霍金當選英國皇家學會的會員。1975至1976年間，霍金先后獲得倫敦皇家天文學會的埃丁頓勛章、梵蒂岡教皇科學學會十一世勛章、霍普金斯獎、美國丹尼歐海涅曼獎、馬克斯韋獎和英國皇家學會的休斯勛章，1978年再獲阿爾伯特·愛因斯坦獎。從1979年起，他開始擔任劍橋大學應用數(shù)學和理論物理學院的盧卡斯教授。在2006年11月，他獲得英國皇家學會頒發(fā)的科普利獎章。
在人類認識宇宙的歷史上，霍金稱不上是站得最高、望得最遠的那一群科學巨人。雖然我們仍然沒有捉住愛因斯坦尋覓的那只大象，但正是霍金和他的合作者先一步摸到了它，然后在隨后的幾十年中，不斷啟發(fā)理論物理學家沿著他們的掌溫繼續(xù)向前摸索，并作出了一系列驚人的發(fā)現(xiàn)。從這個意義上講，在這一代理論物理學家中，霍金的地位十分重要，他是一位名副其實的大師。
