卞毓麟 | 轮椅天才的奇迹 ——霍金的人生和宇宙(一)

科学的历程2019-01-21 15:58:00

▲斯蒂芬·威廉·霍金,1942年1月8日生于英国牛津


作者 卞毓麟(中国科学院国家天文台客座研究员)

责编 许嘉芩 刘愈


“轮椅上的天才”斯蒂芬·霍金举世闻名。他在宇宙学和黑洞研究方面取得的成果令各国科学家赞叹不已,人们甚至称他为“当今的爱因斯坦”。他的科普名著《时间简史》被翻译成不下40种文字,在全球的累计销量早已超过1000万册。他年轻时已身染肌萎缩性侧索硬化症,医生认为他只剩下了两年时间。可是,他不仅又活了20多个两年,而且在2006年6月第三次来华进行学术活动,甚至兴致勃勃地游览了天坛。《天文爱好者》杂志随即邀请本书作者撰写这篇长文,从2006年9月开始连载。今稍作修订,收录如次。

华兹华斯缘


科学技术和文学艺术一样,不能没有浪漫的想象。

18世纪后期,英国出现了以“湖畔诗人”华兹华斯、柯尔律治和骚塞为代表的第一代浪漫主义作家。他们生活的时代,大致同热衷于发现小行星的德国人奥伯斯以及计算出天王星运动反常的法国人布瓦尔相当。19世纪初,拜伦、雪莱和济慈成了英国第二代浪漫主义诗人的典范。

华兹华斯在凝视牛顿的半身塑像时,吟出了日后传诵全球的名句:

“这大理石标志的心灵,

在奇妙的思维之海上永远航行,

永远,永远,

独自向前。”

▲英国剑桥大学三一学院的牛顿像

今天,无论是亲眼目睹斯蒂芬·威廉·霍金的容貌,还是注视他在各种媒体上的形象,都会使我们想起华兹华斯赞颂牛顿的这首诗。

按照格里历——即现行的公历,牛顿是1643年1月4日出生的。但是,英国迟至1752年9月4日才开始采用公历。依照旧历——即儒略历,牛顿的生日乃是1642年的圣诞节。整整3个世纪后,霍金在英国出生。他的生日是1942年1月8日,那天恰逢天文望远镜的发明者伽利略逝世300周年。当时第二次世界大战正酣,霍金的母亲为躲避德军的轰炸而暂离伦敦,在牛津生下了他。

父亲希望霍金学医,但他本人向往数学和物理。他于1959年进入牛津大学,在物理学上大为领先,以至于不太相信某些标准教材上所讲的内容。有一次,辅导老师帕特里克·桑德斯从一本教材中摘了一些题目让学生课后思考。在下一次辅导课上,霍金却说他没法解这些题目。当老师问其缘故时,他却用20分钟指出了那本教材上的所有错误。

在大学时代,霍金花在学习上的时间不多。他觉得自己那时给人的印象是:一个懒散、差劲的学生,不爱整洁,爱玩,爱喝酒,学习不认真。不过,他低估了人们对其才能的高度评价。他在大学的最后一次、也是最重要的一次考试,得分介乎第一等和第二等之间。为此,主考官们决定再对他进行一次面试。在面试中,他们让霍金谈谈未来的计划。他答道:“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。”

考官们成全了他。1962年10月,霍金从牛津到剑桥,意在成为英国当时最有名望的天文学家和宇宙学家弗雷德·霍伊尔的研究生。然而,霍伊尔的学生太多了,霍金遂被指派给了丹尼斯·西阿玛。

▲霍金的导师、英国著名理论物理学家和宇宙学家丹尼斯·西阿玛(1926-1999年)

“我从没听说过他。但那也许是最好的事情。霍伊尔经常出门,很少在系里,我不会引起他更多的注意。而西阿玛总在身旁,随时找我们谈话。他的许多观点我都不赞同,但它们激发了我去发展自己的理论图景。”

这番话,是2002年1月在剑桥大学隆重庆祝霍金60岁生日的报告会上,霍金亲口讲的。这次会上的报告者都是大师级的人物:马丁·里斯讲“复杂的宇宙及其未来”,詹姆斯·哈特尔讲“万物之理和霍金的宇宙波函数”,罗杰·彭罗斯讲“时空奇点问题:意味着量子引力吗?”,基普·索恩讲“弯曲的时空”。霍金本人讲的题目是“果壳里的60年”,正文前的引语,便出自华兹华斯的长诗《序曲》:

“一个自在的心灵,永远

航行在奇妙的思想海洋。”

这些演讲于2003年结集出版,书名为《理论物理学和宇宙学的未来》。2005年,该书的中译本面世,书名径易为《果壳里的60年》。

目前,霍金在剑桥的寓所是华兹华斯小树林23号,看来他与华兹华斯真是有缘。

▲霍金的居所华兹华斯小树林23号

霍金昔日的学生吴忠超教授摄

可怕的ALS


西阿玛是一名非常优秀的科学家,一位出色的导师。他早期带领的学生,后来几乎都成了宇宙学领域中的明星:上面提到的马丁·里斯后来成了皇家天文学家;乔治·埃利斯曾与霍金合著《时空的大尺度结构》一书——此书是题献给西阿玛的,被人们推崇为“相对论性宇宙论的《圣经》”;布朗顿·卡特成了巴黎天文台的科研主管;霍金本人则于1979年37岁时成了剑桥大学的卢卡斯讲席数学教授。

当初,牛顿是在1669年27岁时,继他的老师巴罗之后当上剑桥大学卢卡斯讲席数学教授的。该职位由一个姓卢卡斯的人出资设立,故此命名。霍金对这个职位颇为在意,自牛顿以来的300年间曾担任过该讲席教授的所有人名——例如量子力学的奠基人之一狄拉克,他都记得一清二楚。

对霍金来说,被指派作为西阿玛的研究生,不仅不是灾难,而且是一种福分。但是另一方面,在牛津的最后一段时间里,他终身的灾难却已经初露端倪。霍金感到自己系鞋带有困难了,腿不太听使唤,走路老是撞上别的东西,讲话有时发音含混,不过他什么也没有告诉别人。

1962年底,霍金从剑桥回家同父母一起过圣诞节。除夕夜,他们家举行晚会。应邀前来的有一位名叫简·怀尔德的姑娘。她觉得霍金很有魅力,很快就被他吸引住了。然而,也就在那次晚会上,亲友们发现他竟然连倒酒都有困难了,大部分酒都倒在桌布上。这真是一种不祥之兆。

1963年1月,霍金回到剑桥,被送进医院做一系列检查,诊断结果是他患上了“肌萎缩性侧索硬化症”。国际上此病的学名叫amyotrophic lateral sclerosis,简称ALS。该病又叫卢伽雷病,因美国历史上著名的棒球手卢伽雷患有此病而得名。在英国,这种病常称为“运动神经症”。此病很罕见,且无法治愈。它会影响脊椎神经索和影响控制运动功能的那部分脑,但是,思维和记忆之类的高级功能却不会受影响。这种病通常以手肌无力和萎缩为首发症状,病程晚期出现舌肌萎缩和震颤,构音不清,吞咽困难,饮水呛咳等。患者身体会逐渐残废,最后常因呼吸困难、肺部感染、全身衰竭而死亡。该病没有痛楚,但在疾病的最后阶段医生仍会用吗啡来缓解病人的慢性抑郁症。

医生曾说霍金:还有两年时间。有一段时间,霍金陷于深深的绝望之中。他喝酒,整天听瓦格纳的音乐。后来他曾表示,“他(瓦格纳)的乐曲风格和我阴暗的情绪相投”。

▲德国作曲家瓦格纳(1813-1883年)。霍金一生都很喜欢他的音乐作品

那时,他做了一些痛苦的梦,多次梦见自己将被处死。但他后来想到,倘若自己被判了死刑缓期执行,那么还是可以做很多值得做的事情:“如果我反正终将死去,那不妨做些好事。”

霍金从极度沮丧中回到学业上来之后,他父亲曾经找西阿玛商量:斯蒂芬是否有可能在短于3年的时间内获得博士学位,因为他恐怕活不到3年了。然而,这位导师的回答是:“不。” 西阿玛也许比任何人都了解自己这个学生的能力,但他不能因为霍金而改变原则。西阿玛曾经说过:“我知道斯蒂芬有病,但我对他和其他同学一视同仁”,而霍金本人所希望的也正是如此。

简的出现,是霍金生活的重要转折点。她使霍金振作起来,重新树立生活和学习的决心。1964年10月的一个周末,霍金在剑桥向简求婚,简立即同意了。那时,霍金走路已经不得不借助于拐杖,但他决不向疾病低头。

霍金很幸运,不久又遇到了杰出的青年数学家罗杰·彭罗斯。彭罗斯帮他解决了研究中的一个难题,这不仅使他的博士论文得以顺利完成,而且将他直接带领到了理论物理学研究的前沿阵地。

情钟宇宙学


霍金就读牛津大学物理系时的指导老师是罗伯特·伯曼教授。他认识到霍金是一个天才,并曾这样谈论霍金:

“他显然是我所教过的学生中最聪明的。”“霍金不仅聪明,甚至不能用聪明来衡量。按照正常的标准,不能说他非常用功,因为这实在没有必要。……我想我真正的作用只是监督他学习物理的进度。我不能自夸曾经教过他什么东西。”

大学毕业时,霍金觉得,在当时理论物理学的两个重要研究方向——宇宙学和基本粒子物理学中,宇宙学对他具有更大的吸引力。这是因为宇宙学已经具有一个明确的理论框架,即爱因斯坦建立的广义相对论。而另一方面,当时的基本粒子物理学却缺乏某种合适的理论框架。物理学家们不断地发现新的粒子,然后就像植物学那样进行分类,霍金觉得这很乏味。

“宇宙学”这门学科,是把整个宇宙看作一个整体,来探索它的结构、运动、起源和演化。古人的地心宇宙体系,是早期宇宙学的主要成果。16世纪,哥白尼提出了日心宇宙体系,使人们认识到地球并不是宇宙的中心。18世纪,英国天文学家威廉·赫歇尔发现太阳在银河系中不停地运动着,因此太阳也不是什么宇宙的中心。20世纪初,美国天文学家沙普利证明,太阳并不在银河系的中心,而是比较靠近银河系的边缘。20世纪20年代,美国天文学家哈勃开创星系天文学,证明了银河系只是宇宙间无数星系中的一员。就这样,人类的视野扩展到了越来越遥远的太空深处。如今人类观测到的宇宙范围约为140亿光年。

在理论方面,牛顿在300多年前,已将他发现的力学定律和万有引力定律用于探讨整个宇宙的行为,这使宇宙学成了一门真正的近代科学。1916年,爱因斯坦发表了关于时间、 空间和引力的一种崭新的理论——广义相对论。根据这种理论,可以推算宇宙作为一个整体所具有的结构和特征。因此,人们通常说爱因斯坦开创了现代宇宙学。

同许多别的学科一样,现代宇宙学也有不同的学派,产生了各种不同的理论。这些理论,都必须不断经受天文观测事实的检验。能和新的观测结果相吻合的理论,将会获得新的生命力;和新的观测结果相矛盾的理论就难免衰落乃至消亡。

1929年,哈勃发现几乎所有的星系都正在远离我们而去,而且离我们越远的星系远去的速度就越快。哈勃的这项发现,奠定了现代观测宇宙学的基础。不久,英国天文学家爱丁顿指出,哈勃的发现正好证实了爱因斯坦广义相对论预言的几种可能性之一:宇宙在膨胀!

我们的宇宙正处在一种宏伟的整体膨胀之中,这使得所有的星系不仅仅是远离我们而去,实际上它们相互之间全都在彼此远离。你到任何一个星系上去,都会看到同样的情景。这有如一只镶嵌着许多葡萄干的面包正在不停地膨胀,面包中所有的葡萄干就会彼此离得越来越远。

宇宙膨胀这一崭新的科学思想深深动摇了宇宙静止不变的陈旧观念,它是20世纪科学中意义最为深远的杰出成就之一。问题是:造成这种膨胀的原因是什么?这种膨胀究竟始于何时?

可以想像,既然星系都在彼此四散分离,那么回溯过去,它们就必然比较靠近。如果回溯得极为古远,那么所有的星系就会紧紧地挤在一起。人们自然会想:我们的宇宙也许就是从那时开始膨胀而来,也许那就是我们这个宇宙的开端。

首先这样描绘宇宙开端的是比利时天文学家勒梅特,他设想那个极其致密的原始天体在一场无与伦比的爆发中爆炸了,爆炸的碎片后来成了无数个星系,它们至今仍在继续向四面八方飞散开去。1948年,美籍俄裔物理学家盖莫夫继承并发展了这种想法。他计算了那次爆炸的温度,计算了应该有多少能量转化成各种基本粒子,进而又怎样变成了各种原子,等等。后来,人们把最初那个爆发性的开端称为“大爆炸”,这种理论则称为大爆炸宇宙论。

▲大爆炸和宇宙演化示意图。图的顶部象征着大爆炸,右侧的一列数字代表从大爆炸起算所经历的时间,左边的文字表示相应于这些时刻宇宙中出现的物体

几十年来,大爆炸宇宙论成功地解释了众多的天文观测事实,因而成为当代最有影响的一种宇宙理论。与此同时,它也依然面临着不少尚待解决的新难题。为此,人们从20世纪80年代初以来,先后提出了一系列新奇的思想:暴涨宇宙、量子宇宙、弦论、超引力、万物至理、M-理论、膜世界等等。在宇宙学家们的这些战役中,身残志坚的霍金乃是一位斗志昂扬的领军人物,后文还会再次谈到这一点。

黑洞和奇点


霍金真正的研究工作是从黑洞和奇点开始的。“黑洞”这个名称,起初由美国著名物理学家约翰·惠勒于1969年正式提议使用。那么,究竟什么是“黑洞”呢?

“黑洞”这个名称的第一个字“黑”,表明它不向外界发射和反射任何光线或其他形式的电磁波。因此人们无法看见它,它是“黑”的。第二个字“洞”,是说任何东西只要一进入它的边界,就休想再溜出去了,它活像一个真正的“无底洞”。

假如用一盏威力巨大的探照灯向黑洞照去,它是不是就原形毕露了?不。射向黑洞的光无论有多强,都会被黑洞全部“吞噬”,不会有一点反射。“洞”之“黑”依然如故。

黑洞并非科学家们在一夜之间突然想到的。早在1798年,法国科学家拉普拉斯就根据牛顿的力学理论推测:“一个密度像地球、直径为太阳250倍的发光恒星,在其引力作用下,将不允许它的任何光线到达我们这里。”对这些话,可以作如下的理解——

宇宙飞船要脱离地球进入行星际空间,速度至少要达到11.2千米/秒,否则它就摆脱不了地球引力的束缚。这11.2千米/秒的速度,就是一个物体从地球引力场中“逃逸”出去必须具备的最低速度,称为地球的“逃逸速度”。太阳的引力比地球强得多,因此太阳的逃逸速度要比地球的大得多,等于618千米/秒。如果一个天体的逃逸速度达到或超过了光速,那么就连光线也不可能逃逸出去了。这样的天体就是黑洞。宇宙间没有任何物体的速度能超过光速。既然连光都逃不出黑洞,那么其他一切东西当然也就逃不出去了。

随着科学的发展,人们对黑洞的认识逐渐深入。如今,关于黑洞的更正确的说法是:“黑洞是广义相对论预言的一种特殊天体,它的基本特征是有一个封闭的边界,称为黑洞的‘视界’;外界的物质和辐射可以进入视界,视界内的东西却不能逃逸到外面去。”

▲人们经常用这种图示来解释广义相对论:放在有弹性的橡皮布上的重物,代表一颗恒星或整个星系,橡皮布上的网格代表4维时空。重物的质量越大,时空就凹陷得越深,从重物近旁经过的东西也越难逃脱落到该重物上的厄运

因此,黑洞的视界宛如一道单向的边界,人们有时称之为“单向膜”,进入视界的光或任何物体都不能复出。

黑洞是看不见的。然而,天文学家推测,在X射线波段仍有可能探测到双星系统内的黑洞。因为当一颗正常恒星的外层物质流向它的大质量致密伴星时,这些物质就会形成一个发出X射线的吸积盘。倘若这个大质量伴星是一颗中子星,那么当吸积盘中的物质最终撞向这颗中子星的固态表面时,就会发出更多的高能X射线。但是,倘若大质量伴星是一个黑洞,那么当吸积盘中的物质非常接近黑洞的视界时,所发出的大部分X射线就都将掉进这个黑洞。这说明,由于视界的限制,黑洞双星的X射线辐射要比中子星双星暗得多。

▲在观测两类不同的X射线双星时,可以发现其中之一(大质量伴星是中子星)的亮度要比另一种(大质量伴星是黑洞)的亮上百倍

黑洞这种“只进不出”的秉性,使它有了一个不雅的外号:“太空中最自私的怪物”。但是,20世纪70年代,以霍金为首的一些学者基于量子理论,对黑洞作了更缜密的考察,结果发现黑洞还具有另一种出乎始料的特征,即它会像“蒸发”那样稳定地向外发射粒子。考虑到这种“蒸发”,黑洞就不再是绝对“黑”的了。

霍金还证明,每个黑洞都有一定的温度,而且温度的高低和黑洞的质量成反比。也就是说,大黑洞的温度很低,蒸发也很微弱;小黑洞的温度很高,蒸发也很强烈,类似剧烈的爆发。一个质量像太阳那么大的黑洞,大约需要1066(即“1”后面跟着66个“0”)年才能蒸发殆尽;但是质量和一颗小行星相当的小黑洞,却会在10-22(小数点后面21个“0”再跟上一个“1”)秒内蒸发得干干净净。

今天我们知道,所有这些,在研究天体和宇宙的起源和演化时,都具有非同寻常的重要性。回想当初,却是西阿玛和彭罗斯将霍金引上了通向黑洞之路。事情的起因是——

西阿玛经常安排学生参加重要的学术活动。1964年,也就是霍金取得博士学位的前一年,在伦敦举行的一次研讨会上,彭罗斯介绍了自己用新的数学方法证明了:如果一颗恒星在自身引力作用下最终坍缩成为一个黑洞,那就必然会存在奇点。

“奇点”究竟是什么东西?一般说来,在数学上,奇点是数学函数无法定义的点,在该点函数值发散至无穷大。而在广义相对论中,奇点是时空的一个区域,在这个区域中时空弯曲得如此厉害,甚至广义相对论中的定律都不再有效。

▲黑洞和奇点的艺术创意图,其中奇点被描绘成黑洞深处的一个黑点。图中共画出五条光线,外面的三条因受黑洞的引力作用而依次弯曲得越来越厉害,但最终都还是离开了。第四条光线恰好处于既未落入黑洞、又不能远走高飞的临界状态,它将长久地绕着这个黑洞打转。最里面的第五条光线完全被黑洞俘获,永远不能复出

霍金认真思考了彭罗斯的工作,若有所悟。他对西阿玛说:“如果把彭罗斯的‘奇点理论’用到整个宇宙上,而不仅仅用在黑洞里,那又会发生什么事情呢?”

西阿玛意识到霍金的想法非同寻常,十分赞同就将它作为霍金的博士论文题目。这不是一个简单的问题,但困难正好激发了霍金的兴趣和热情。正如他后来所说的那样:“我一生中第一次开始努力工作。出乎意料的是,我发现自己喜欢它。”

霍金努力学习有关的数学知识,奋战几个月完成了这篇博士论文。论文的精华,是得出了非常重要的结论:如果广义相对论是正确的,那么过去必然曾经有过一个奇点,这就是时间的开端。这个奇点之前存在的任何事物,都不能被认为是这个宇宙的一部分。

通过答辩,23岁的斯蒂芬成了霍金博士。接着,他成为剑桥大学冈维尔-凯斯学院的研究员。从1966年起,著名科学史家、汉学家李约瑟出任该学院的院长,直至1976年退休。1977年,霍金升任教授。

在宇宙学的星空中,霍金这颗超新星的能量和光辉简直令人目瞪口呆。

面积定律


1965年7月14日,霍金和简登记结婚。翌日,他们在剑桥大学三一学院的一个教堂举行婚礼。

▲斯蒂芬·霍金和简·怀尔德的婚礼照。霍金身边是他的父母,简的身旁是她的双亲

婚后一个星期,霍金接到邀请,出席美国康内尔大学举办的一次学术会议。简随同前往,目睹了理论物理学家们高度抽象的思维方式,以及他们之间的激烈争辩。在这种场合下,他们的妻子很容易就被忽视了。简不由得产生了这样的感觉:“物理学似乎以这种或那种方式使物理学家的妻子都做出了牺牲……她们实际上都已经成了寡妇——物理学的寡妇。”然而,今后生活的无比艰难,还远非简在当时所能想象。

1965年是霍金的幸运年。这年冬天,他以论文《奇点和时空几何学》与彭罗斯分享了“亚当斯奖”。这一奖项的科学地位很高,霍金23岁就获此殊荣,真让他的同伴们赞叹不已。西阿玛欣喜地告诉简说,霍金的前程将有如牛顿那样辉煌。这令简惊喜非凡。她衷心地感激这位导师的坦率和诚挚。

但是,霍金的身体状况很令人担忧。1966年初,霍金夫妇住进了剑桥大学小圣玛丽胡同6号,他们的卧室在二楼。随着病情加剧,霍金上楼越来越艰难了。到后来,他每次要花15分钟才能把自己的身体拖到二楼。然而,他坚决拒绝别人帮助。他觉得,每一次屈服都意味着他将永远丧失一种生活能力。

1967年5月28日晚10时,霍金和简迎来了他们的第一个儿子——罗伯特。在此之前两个月,简实现了