撰文 羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）
翻譯 張建東
審校 金莊維
斯蒂芬·霍金在 76 歲離開人世，他在電動(dòng)輪椅上的形象——頭向一側(cè)輕微扭曲同時(shí)雙手交叉以進(jìn)行控制——抓住了公眾的想象力，成為精神戰(zhàn)勝物質(zhì)的真實(shí)象征。就像古希臘的德爾斐神諭那樣，身體上的損傷似乎被他近似超自然的天賦所補(bǔ)償。這讓他的思想能夠自由地漫游宇宙，有時(shí)還會(huì)不可思議地揭示出一些凡人無(wú)法洞見的宇宙奧秘。
斯蒂芬·霍金在他位于應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理學(xué)系的辦公室，攝于劍橋大學(xué)，2005 年。來(lái)源：Murdo Macleod為《衛(wèi)報(bào)》拍攝
當(dāng)然，這種浪漫化的形象只能陳述一部分事實(shí)。那些認(rèn)識(shí)霍金的人將會(huì)清楚地看到，在他的表現(xiàn)中，占主導(dǎo)的還是真實(shí)的人性——不僅對(duì)生活無(wú)比熱情，非常幽默，并且毅力驚人；也在更明顯的正面力量以外，像常人一樣擁有弱點(diǎn)。顯然他很享受成為被大眾普遍認(rèn)為的“最有名的科學(xué)家”；超多的聽眾會(huì)參加他的公開講座，他們常常并不只是為了接受科學(xué)的熏陶。
科學(xué)界對(duì)他可能有著更加客觀的評(píng)價(jià)。鑒于他許多令人印象極為深刻的、有時(shí)甚至是革命性的，對(duì)理解物理和宇宙幾何的貢獻(xiàn)，他受到了極高的評(píng)價(jià)。
霍金在 21 歲生日后不久就被診斷出患有罕見的絕癥，這是一種致命的神經(jīng)退行性疾?。杭∥s側(cè)索硬化，也被稱為 ALS 。但是他沒有像其他人那樣沮喪地屈服，而是在不久之后就開始把目光投向一些關(guān)于宇宙物理本質(zhì)的最基本的問題。之后，他在對(duì)抗最嚴(yán)重的身體殘疾上取得了非凡的成功——他無(wú)視既定的醫(yī)療意見，想方設(shè)法多活了 55 年。
他出生于“學(xué)術(shù)家庭”，不過他的父母并非數(shù)學(xué)或者物理研究者。他的父親弗蘭克（Frank）是一位熱帶疾病方面的專家，而他的母親伊澤貝爾（Isobel，舊姓 Walker）是一位思想自由的激進(jìn)分子，這對(duì)他有著巨大的影響。他出生在牛津，八歲時(shí)搬家到了赫特福德郡的圣奧爾本斯。他在圣奧爾本斯學(xué)校接受教育，并獲得獎(jiǎng)學(xué)金到牛津大學(xué)的大學(xué)學(xué)院（University College）學(xué)習(xí)物理。他的導(dǎo)師察覺到了他非同尋常的能力，但是完全沒有嚴(yán)肅地看待他的工作。盡管他在 1962 年獲得了一等學(xué)位，但并不是特別出色。
之后，他決定在劍橋大學(xué)的三一學(xué)院繼續(xù)他的物理學(xué)生涯，并打算在著名的宇宙學(xué)家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）門下學(xué)習(xí)。但他失望地發(fā)現(xiàn)霍伊爾不能指導(dǎo)他，那個(gè)領(lǐng)域中可選的導(dǎo)師是丹尼斯·夏馬（Dennis Sciama），而當(dāng)時(shí)霍金對(duì)他并不了解。實(shí)際上，這個(gè)選擇后來(lái)被證明是很幸運(yùn)的。因?yàn)橄鸟R當(dāng)時(shí)正逐步成為英國(guó)宇宙學(xué)領(lǐng)域非常引人注目的人物，而且指導(dǎo)了幾位日后令人印象深刻的學(xué)生——包括未來(lái)的皇家天文學(xué)家馬丁·里斯爵士（Martin Rees）。
夏馬幾乎知道那時(shí)在物理學(xué)中發(fā)生的每一件事，特別是在宇宙學(xué)方面，而且他向遇到的每一個(gè)人傳達(dá)一種感染性的興奮。他還擅長(zhǎng)于將聰明的頭腦聚集起來(lái)，一起交流。
當(dāng)霍金在劍橋進(jìn)行第二年的研究時(shí)，我（在倫敦大學(xué)的伯克貝克學(xué)院）已經(jīng)建立了一個(gè)關(guān)于關(guān)聯(lián)性的數(shù)學(xué)定理。這個(gè)定理表明，基于幾個(gè)合理的假設(shè)（通過使用當(dāng)時(shí)大部分物理學(xué)家并不熟悉的整體/拓?fù)浼夹g(shù)），一顆坍縮中的、質(zhì)量過大的恒星最后會(huì)在時(shí)空中形成一個(gè)奇點(diǎn)——一個(gè)密度和時(shí)空曲率都被預(yù)期會(huì)變得無(wú)窮大的地方——為我們提供了現(xiàn)在稱之為“黑洞”的物體的一個(gè)圖像。這種時(shí)空奇點(diǎn)將深藏在一個(gè)“視界”內(nèi)部，沒有信號(hào)或者物質(zhì)可以從中逃脫。（這個(gè)圖像早在 1939 年就已經(jīng)由 J·羅伯特·奧本海默 [J Robert Oppenheimer] 和哈特蘭德·斯奈德 [Hartland Snyder] 提出，但是僅在假設(shè)了嚴(yán)格球?qū)ΨQ的特殊情況下成立。新的定理的提出是為了消除這種不真實(shí)的對(duì)稱性假設(shè)。）在這個(gè)中心的奇點(diǎn)處，愛因斯坦的經(jīng)典廣義相對(duì)論將不再適用。
與此同時(shí)，霍金與正在劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院攻讀博士學(xué)位的喬治·埃利斯（George Ellis）也一直在思考這類問題。這兩個(gè)人一直在研究一種需要一個(gè)不合理的限制性假設(shè)，從而在條件上更加受限的“奇點(diǎn)定理”。夏馬認(rèn)為有必要讓霍金和我聚在一起進(jìn)行交流，而霍金沒用多久就找到了一種意想不到的方式來(lái)使用我的定理。這樣一來(lái)，這個(gè)定理就可以（以時(shí)間反演的方式）適用于宇宙學(xué)的情境之中，從而表明被稱為“大爆炸”的時(shí)空奇點(diǎn)不僅是標(biāo)準(zhǔn)的、高度對(duì)稱的宇宙學(xué)模型的特征，也是任何性質(zhì)類似但不對(duì)稱的模型的特征。
在我原來(lái)的定理中，有一些假設(shè)在宇宙學(xué)的情境中看起來(lái)不如在坍縮成為黑洞的情境中那么自然。為了推廣這個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)果以消除這些假設(shè)，霍金開始研究與這個(gè)問題相關(guān)的新的數(shù)學(xué)技巧。
莫爾斯理論（Morse theory）是數(shù)學(xué)工作中一個(gè)有力的主體，它是活躍在對(duì)黎曼空間的整體（拓?fù)洌┭芯款I(lǐng)域的數(shù)學(xué)家的常用工具之一。然而，愛因斯坦的理論中使用的空間實(shí)際上是偽黎曼的，而相關(guān)的莫爾斯理論有些微妙但重要的不同。霍金發(fā)展了自己研究所需的理論——在某些方面由查理斯·邁斯納（Charles Misner），羅伯特·喬治（Robert Geroch）和布蘭登·卡特（Brandon Carter）提供幫助——并且用它產(chǎn)生更加強(qiáng)大的新定理。有了這些新定理，我自己的定理中的假設(shè)可以被極大地削弱，表明在普遍的情況下，大爆炸奇點(diǎn)是愛因斯坦廣義相對(duì)論的必然結(jié)論。
幾年之后（當(dāng)時(shí)的霍金已經(jīng)成為劍橋?qū)S爾和凱厄斯學(xué)院[Gonville and Caius College]的“榮譽(yù)科學(xué)”學(xué)者），在 1970 年于皇家學(xué)會(huì)于發(fā)表的一篇論文中，他和我聯(lián)手發(fā)表了一個(gè)更加強(qiáng)大的定理，幾乎涵蓋了這個(gè)領(lǐng)域之前所有的工作。
1967 年，維爾納·以色列（Werner Israel）發(fā)表了一篇卓越的論文，指出當(dāng)無(wú)旋轉(zhuǎn)的黑洞最終平定到穩(wěn)態(tài)時(shí)，必然會(huì)呈出完全的球?qū)ΨQ?？ㄌ?，大衛(wèi)·羅賓遜（David Robinson）和其他人的后續(xù)工作將這一結(jié)論推廣到包括旋轉(zhuǎn)黑洞的情形，這意味著最終的時(shí)空幾何必然符合羅伊·克爾（Roy Kerr）于 1963 年發(fā)現(xiàn)的愛因斯坦方程的一組精確解。完整論述的關(guān)鍵部分是，如果存在旋轉(zhuǎn)，就一定會(huì)有完全的軸對(duì)稱。而這部分工作基本上是由霍金在 1972 年完成的。
關(guān)于所有這些，一個(gè)非常顯著的結(jié)論是，我們期望在自然界中找到的黑洞，必須符合這種克爾幾何。正如偉大的理論天體物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡（Subramanyan Chandrasekhar）后來(lái)所評(píng)論的那樣，黑洞是宇宙中最完美的宏觀物體，它們僅僅由空間和時(shí)間所構(gòu)建; 此外，它們也是最簡(jiǎn)單的，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^明確、已知的幾何（即克爾幾何）來(lái)精確描述。
在這方面的工作之后，霍金又建立了許多有關(guān)黑洞的重要成果，比如關(guān)于黑洞事件視界（它的束縛面）必須具有球形拓?fù)涞恼撟C。在 1973 年與卡特、詹姆斯·巴?。↗ames Bardeen）合作發(fā)表的工作中，他在黑洞的行為和熱力學(xué)基本定律之間建立了一些非凡的類比。其中，黑洞視界的表面積和表面引力分別能夠類比于熵和溫度這些熱力學(xué)量。公平地說(shuō)，在他進(jìn)行這項(xiàng)工作的高度活躍的時(shí)期，霍金在經(jīng)典廣義相對(duì)論領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行的研究是當(dāng)時(shí)世界上最棒的。
霍金，巴丁和卡特將黑洞的“熱力學(xué)”行為僅僅視為一個(gè)類比，并沒有實(shí)際的物理意義。在大約一年前，雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）表明，物理一致性的要求意味著——在量子力學(xué)的背景下——黑洞確實(shí)必須具有實(shí)際的、與視界面積成正比的物理熵（“熵”是物理學(xué)家對(duì)“無(wú)序”的測(cè)量），但他無(wú)法確定比例因子。然而，另一方面，與這一類比似乎并不一致的是，黑洞的物理溫度必須完全為零，因?yàn)闆]有任何形式的能量可以從中逃脫。這也是為什么霍金和他的同事們不準(zhǔn)備嚴(yán)肅對(duì)待他們的類比。
后來(lái)，霍金把注意力轉(zhuǎn)向與黑洞有關(guān)的量子效應(yīng)。他著手進(jìn)行了計(jì)算，以確定在大爆炸中可能產(chǎn)生的微小的旋轉(zhuǎn)黑洞是否會(huì)輻射掉它們的旋轉(zhuǎn)能量。他驚訝地發(fā)現(xiàn)，不管考慮什么樣的旋轉(zhuǎn)，它們都會(huì)輻射掉能量——而根據(jù)愛因斯坦的 E =mc^2，這也代表了它們失去了質(zhì)量。因此，任何黑洞實(shí)際上都具有非零的溫度，與巴丁-卡特-霍金的類比完全一致。此外，霍金為貝肯斯坦無(wú)法確定的熵的比例常數(shù)提供了精確的數(shù)值：“四分之一”。
霍金所預(yù)言的這種來(lái)自黑洞的輻射，現(xiàn)在被非常恰當(dāng)?shù)胤Q為霍金輻射。然而，對(duì)于在正常天體物理過程中被預(yù)期會(huì)出現(xiàn)的黑洞而言，霍金輻射非常小，并且通過任何已有的技術(shù)都無(wú)法直接觀測(cè)到。但他認(rèn)為，大爆炸本身可能會(huì)產(chǎn)生非常小的黑洞，并且來(lái)自這些黑洞的霍金輻射最終會(huì)形成可能被觀察到的爆炸?，F(xiàn)在似乎還沒找到這種爆炸的證據(jù)，表明大爆炸并不完全像霍金所希望的那樣，這令他非常失望。
這些成就在理論上是極為重要的。它們建立了黑洞熱力學(xué)理論：通過將量子（場(chǎng)）理論與廣義相對(duì)論的過程相結(jié)合，霍金確定了還有必要引入第三個(gè)科目，也就是熱力學(xué)。它們通常被認(rèn)為是霍金最大的貢獻(xiàn)。不可否認(rèn)的是，它們對(duì)未來(lái)的基礎(chǔ)物理理論會(huì)有深刻的影響，但這些影響的具體性質(zhì)仍然是一個(gè)被激烈辯論的問題。
霍金本人能夠從所有這些中得出的結(jié)論是（雖然并沒有得到粒子物理學(xué)家的普遍接受），普通物質(zhì)的基本組成部分——質(zhì)子——最終必須衰變，盡管衰變率超出了當(dāng)今用于觀測(cè)的技術(shù)的極限。他還提出了一些懷疑量子力學(xué)的規(guī)則可能需要修改理由。他最初支持這一觀點(diǎn)，但后來(lái)（不幸的是，我個(gè)人認(rèn)為）他有了不同的看法。在 2004 年 7 月的都柏林國(guó)際引力會(huì)議上，他公開宣布改變了對(duì)最初預(yù)測(cè)的黑洞內(nèi)“信息丟失”的想法，從而在與加州理工學(xué)院物理學(xué)家約翰·普雷斯基爾（John Preskill）的賭局中認(rèn)輸。
在他關(guān)于黑洞的工作之后，霍金把注意力轉(zhuǎn)向了量子引力，為解決一些基本問題發(fā)展了巧妙的想法。量子引力一般被認(rèn)為是物理學(xué)中尚未解決的、最基本的問題，它涉及到如何正確地將粒子物理的量子過程加于時(shí)空結(jié)構(gòu)之上。其宣稱的目標(biāo)之一，是找到一個(gè)足夠強(qiáng)大的物理理論，用以處理經(jīng)典廣義相對(duì)論下黑洞和宇宙大爆炸中的時(shí)空奇點(diǎn)。
迄今為止，盡管霍金的研究涉及到量子力學(xué)在愛因斯坦廣義相對(duì)論的彎曲時(shí)空中的運(yùn)用，但這項(xiàng)工作并未提供量子引力理論。這將需要把“量子化”的步驟應(yīng)用到彎曲時(shí)空本身，而不僅僅是彎曲時(shí)空中的物理場(chǎng)。
霍金與詹姆斯·哈特爾（James Hartle）一起，發(fā)展了一套處理大爆炸奇點(diǎn)的量子方法。這個(gè)想法被稱為“無(wú)邊界”方法，即奇點(diǎn)被光滑的“帽子”所取代。這與在地球北極的情況相似，在那里經(jīng)度的概念失去意義（變成奇異的），而北極本身則具有非常好的幾何形狀。
為了理解這個(gè)觀點(diǎn)，霍金需要引入他的“虛時(shí)間”（或“歐幾里德化”）概念，這個(gè)概念將愛因斯坦時(shí)空的“偽黎曼”幾何轉(zhuǎn)換為更標(biāo)準(zhǔn)的黎曼幾何。盡管這些想法中很多具有獨(dú)創(chuàng)性，但仍然存在相當(dāng)?shù)睦щy。其中之一是如何將相似的方法應(yīng)用于黑洞內(nèi)的奇點(diǎn)，而這在根本上是有問題的。
除此之外，還有很多其他的研究量子引力的方法?；艚鸬姆椒m然受到很大的尊重，并仍然被繼續(xù)研究，但并不是最受歡迎的。不過所有其他方法也都有各自的基本困難。
直到生命的結(jié)束，霍金還一直在繼續(xù)研究量子引力問題，以及相關(guān)的宇宙學(xué)問題。但在保持著研究興趣的同時(shí)，他越來(lái)越多地參與科學(xué)的普及，特別是傳播他自己的想法。他首先寫成了極為成功的科普書《時(shí)間簡(jiǎn)史》（1988 年），該書被翻譯成約 40 多種語(yǔ)言，并在全球售出超過 2500 萬(wàn)份。
毫無(wú)疑問，這個(gè)出色的標(biāo)題是這本書實(shí)現(xiàn)驚人的成功的一個(gè)因素。而且這是一個(gè)緊緊抓住公眾想象力的主題。同時(shí)，作為霍金在嘗試應(yīng)對(duì)身體殘疾所造成的限制時(shí)遇到的一個(gè)必須解決的問題，他發(fā)展出了一種直接而清晰的風(fēng)格。在需要依靠他的電腦來(lái)說(shuō)話之前，他只有克服大量的困難、付出巨大的代價(jià)才能說(shuō)話，所以他必須盡可能地使用一針見血的短句子。此外，很難否認(rèn)他的身體狀況本身已經(jīng)引起了公眾的注意。
雖然霍金寫書的目的肯定包括在更廣泛的公眾中傳播科學(xué)，但他也有著金錢方面的考慮。他的財(cái)務(wù)需求相當(dāng)大，因?yàn)樗募覍?、護(hù)士、醫(yī)療助手和越來(lái)越昂貴的設(shè)備隨行都需要錢。這些開支中的一部分是靠捐贈(zèng)解決的。
邀請(qǐng)霍金參加會(huì)議時(shí)，組織者總是需要認(rèn)真地計(jì)算：旅行和住宿費(fèi)用將是巨大的，尤其是因?yàn)樾枰惆樗娜藬?shù)眾多。但是他的公眾講座永遠(yuǎn)是爆滿的，為了找到一個(gè)足夠大的講堂也需要做特別的安排。另一個(gè)因素是要確保所有的入口、樓梯、升降機(jī)等都適合殘障人士，特別是適合他的輪椅。
他顯然很享受自己的名聲，并且得到了許多旅行的機(jī)會(huì)和不同尋常的經(jīng)歷，例如下礦井、參觀南極和體驗(yàn)自由落體的零重力，還與其他杰出人物會(huì)面。
這些年來(lái)，他的公開演講變得越來(lái)越吸引人。最初，視覺材料是透明膠片上畫著的線條圖，由他的學(xué)生進(jìn)行展示。但在之后幾年，他采用了令人印象深刻的電腦生成的視覺效果。他一句一句地控制著語(yǔ)言材料，就像他用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生帶著美國(guó)口音的聲音一樣。高質(zhì)量的圖片和計(jì)算機(jī)生成的圖形在他后來(lái)的暢銷書籍《時(shí)間簡(jiǎn)史》（1996 年）和《果殼中的宇宙》（2001 年）中也有展示。他和他的女兒露西一起寫作了兒童科學(xué)著作《喬治的宇宙秘密鑰匙》（2007 年）。他還擔(dān)任許多其他科普著作的編輯、合著者和評(píng)論員。
霍金獲得了很多嘉獎(jiǎng)和榮譽(yù)。他在 32 歲時(shí)就被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的成員，并于 2006 年獲得最高榮譽(yù)——科普利獎(jiǎng)?wù)隆?979 年，他成為劍橋第 17 任自然哲學(xué)盧卡斯講席教授（這是艾薩克·牛頓爵士成為第二任講席教授之后約 310 年）。他在 1989 年獲得“榮譽(yù)勛爵（Companion of Honour）”稱號(hào)。他還在電視節(jié)目“星際旅行：下一代”中客串出場(chǎng)，以動(dòng)畫片角色出現(xiàn)在《辛普森一家》中。此外，他的故事被拍成了電影《萬(wàn)有理論》（2014）。
顯而易見的是，他虧欠他的第一任妻子簡(jiǎn)·威爾德很多。他們于 1965 年結(jié)婚，并且有了三個(gè)孩子羅伯特（Robert），露西（Lucy）和蒂莫西（Timothy）。簡(jiǎn)在很多方面都特別支持他。其中最重要的一點(diǎn)就是近乎“縱容”地讓他做自己想做的事情。
霍金是一個(gè)非常堅(jiān)定的人。他會(huì)堅(jiān)持做自己想做的事情。反過來(lái)，這可能使他的肌肉保持活躍，從而延緩其萎縮，并減緩疾病的進(jìn)展。盡管如此，他的病情仍在惡化，直到他幾乎無(wú)法完成任何動(dòng)作。如果不是通過少數(shù)幾個(gè)熟悉他的人的幫助，他的演講幾乎無(wú)法完成。
他于 1985 年在瑞士感染肺炎。為了挽救生命，他必須進(jìn)行氣管切開術(shù)。奇怪的是，在這次與死神擦肩而過之后，他的退行性疾病的惡化似乎在緩慢地停滯。然而，氣管切開術(shù)使他無(wú)法進(jìn)行任何形式的言語(yǔ)交流，因此計(jì)算機(jī)語(yǔ)音合成器在當(dāng)時(shí)成為了他的必要工具。
經(jīng)受肺炎之后，霍金的家?guī)缀醣蛔o(hù)士和醫(yī)療人員接管，而他和簡(jiǎn)則被分開了。他們于 1995 年離婚。同年，霍金娶了他曾經(jīng)的一位護(hù)士伊萊恩·梅森（Elaine Mason），她的支持與簡(jiǎn)不同。在他身體狀況較差的狀態(tài)下，她所提供的愛、關(guān)懷和關(guān)注使他的身體狀況在一切活動(dòng)中都得到了保持。然而這種關(guān)系后來(lái)也結(jié)束了，他和伊萊恩在 2007 年離婚。
盡管身體狀況非常糟糕，但他對(duì)生活卻總是保持樂觀。他喜歡他的工作、與其他科學(xué)家的聚會(huì)、藝術(shù)、名譽(yù)和旅行。他非常喜歡孩子，有時(shí)用他的電動(dòng)輪椅的旋轉(zhuǎn)來(lái)逗他們。他也關(guān)心社會(huì)問題。他還促進(jìn)了大眾對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)。
他非常慷慨，而且經(jīng)常很詼諧。有時(shí)候，他會(huì)表現(xiàn)出一些傲慢，不過這在頂尖物理學(xué)家身上并不少見。他還有些專制的傾向。但他也會(huì)表現(xiàn)出真正的謙遜，這正是偉大的標(biāo)志。
霍金有很多學(xué)生，其中一些后來(lái)也成為著名的人物。然而，當(dāng)他的學(xué)生并不容易（他曾經(jīng)將輪椅碾到一名惹他生氣的學(xué)生的腳上）。他的聲明擁有巨大的權(quán)威，但他身體上的問題經(jīng)常讓他的學(xué)生感到這些簡(jiǎn)潔的聲明令人困惑。一個(gè)有能力的同事或許能夠揭開這些聲明背后的意圖，但對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，這將是完全不同的另一回事。
對(duì)于這樣的學(xué)生來(lái)說(shuō)，與霍金的會(huì)面可能是令人怯步的經(jīng)歷?；艚鹂赡軙?huì)要求學(xué)生追求一些模糊的線索，而其原因看起來(lái)可能非常神秘。由于難以澄清，學(xué)生常常會(huì)收到神諭一樣的啟示——這些事情的正確性不容質(zhì)疑，如果能被正確地解釋和發(fā)展，肯定會(huì)得到一個(gè)深刻的真相?，F(xiàn)在這種印象可能已經(jīng)留在了我們每個(gè)人的腦海中。
史蒂芬·威廉·霍金，物理學(xué)家，1942 年 1 月 8 日出生; 2018 年 3 月 14 日逝世，享年 76 歲。
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