量子科學家霍金（明星科學家霍金和他的世界）

2023-06-02 08:03:51

2018年3月14日，世界著名科學家史蒂芬·霍金撒手離去，這一天正好是愛因斯坦的誕辰日。而霍金出生那天——1942年1月8日，又正好是現代科學的重要奠基人伽利略逝世300周年忌日——這是許多有關霍金的傳記文字都會提及並津津樂道的一件事，似乎這預示了某種科學使命或超人天賦的傳承。

走過76年人生歲月的霍金，給我們這個世界帶來了什麼，又留下了怎樣的印記？

平均每天用功1小時

霍金成長於英國北倫敦的海格特，他的父母都畢業於牛津大學。出身於佃農世家的父親是研究熱帶病的專家，出身於醫生家庭的母親則從事過稅務稽查員、秘書等多種職業。他們一家獨來獨往，不愛交際，在當地人眼中是一個比較古怪的家庭。

少年時代的霍金並沒有顯出什麼特異之處。他所在的班級，是一個所有學生都非常聰明的班級，他的學習成績從未位列前面一半，他的總是很不整潔的作業常常讓老師搖頭。12歲那年，霍金班裡曾有兩位同學用一袋糖果拿他打賭說，他將一事無成。可是，卻有其他同學「看到了一些好徵兆」，給他起了個「愛因斯坦」的綽號。

那一陣霍金迷上了火車模型和別的玩具和遊戲，還建造過飛機模型和船舶模型。他對事物如何運行很感興趣，喜歡將物件拆開，看看它們如何工作，可他的手工卻十分差勁，並不擅長再將它們重新組裝回去。如他後來所認識到的，「我的實際動手能力總不能和我的理論探索能力相匹配。」

課堂外的這些遊戲和製作對霍金走上科學之路影響至深。在他看來，他對火車、船舶和飛機模型的鐘情，來自於要了解系統如何運行和如何控制它們的強烈願望。而從他開始攻讀博士學位開始，他對宇宙學的探索就滿足了這個需求。「如果你理解宇宙如何運行，在某種程度上，你就控制了它。」

然而，進入牛津大學攻讀物理學之初霍金並不是一個勤於探索的好學生。那一時期在牛津，因為用功而得到較好等級被視為一個「灰人」的標誌，是牛津詞彙中最壞的諢名。你要麼是不費勁學習而非常卓越，要麼就接受自己能力有限的現實而得到第四等成績。霍金估算過，在牛津3年期間，他大約只用功1000小時，平均每天1小時。他那時的態度和多數同學並無二致，「我們都傾向於絕對厭倦，覺得沒有任何東西值得努力追求。」

給霍金的人生帶來巨大變化的轉機，就出現在那之後不久。

一切都改變了

在牛津的最後一年霍金注意到，他的身體正變得越來越笨拙，有一次竟然連摔了幾個臺階。他去看醫生，卻只得到一句規勸：「別喝啤酒。」1962年10月進入劍橋大學讀研究生後，他發現自己的身體更笨拙了。這一年聖誕節期間，他在湖上滑冰時跌倒，居然到了爬不起來的地步。他母親注意到這個問題並帶他看了醫生。在他21歲生日剛過不久，又把他送進醫院進行檢查。

最終，霍金被確診患上了可能在幾年內致死的絕症——運動神經元疾病（ALS）。那是在1963年。當霍金意識到自己的情況會不斷惡化而醫生也無能為力，自己也許活不到完成博士論文時，已經很難做到專心致志了。他感到有點兒自憐，也「有點兒悲劇人物的味道」。

霍金頭像

霍金自傳《我的簡史》記述，他在其病症還未得到診斷前，對生活極其厭倦，總覺得似乎沒有什麼事情值得去做。「我患病的一個後果就是把一切都改變了。當你面臨夭折時，你就意識到生命是值得過的，因為有很多事情等你去做。」

出院後不久，霍金做了一個自己將被處死的夢。這使得他「忽然意識到，如果我被緩刑的話，還有很多我能做而且也值得做的事情。另外一場我做了很多次的夢是，我要犧牲自己的生命去救別人。畢竟，如果我反正都要死，不妨做一些好事。」

幸運與奇蹟隨之出現。「事情發生根本變化的原因是我和一個名叫簡·王爾德的姑娘訂婚，我是在被診斷為ALS病時邂逅了她。這給了我某種生活的動力。」

霍金結婚照

要結婚就得有一個工作，而要工作就必須完成博士論文。因此，霍金在一生中頭一次開始用功。「令我驚訝的是，我發現我喜歡用功。」婚後的他得到簡（當時還是韋斯特菲爾德學院的本科生）悉心照顧，學術方面突飛猛進，其宇宙學研究，特別是關於黑洞輻射機制的研究成果也開始受到關注。

在煤窯裡尋找「黑色的貓」

霍金的導師適時介紹他認識了羅傑·彭羅斯。這位數學家將其最新發展起來的拓撲數學方法運用到爆炸的星體中，證明恆星坍縮到一定程度後將會成為一個奇點（空間-時間中密度為無窮大的點）。這一結論激發了霍金的思想火花：能否將彭羅斯的奇點理論推廣於整個宇宙？

那一時期，宇宙的起源成為研究的熱門，各種新奇的觀點時有呈現。美國物理學家約翰·惠勒在1969年舉行的一次會議上提出了「黑洞」一詞，以取代先前的「重力完全塌縮的星球」，這形象地解釋了宇宙中大質量超巨星坍縮時產生的現象——黑洞因為質量很大，連光都會被它吸收。霍金就此評價說：「一個天才之舉」。1965年到1970年間，他與羅傑斯合作，研究黑洞、奇點，以及它們的性質，特別是黑洞的輻射機制。

檢測黑洞，「有點兒像在一個煤窯裡尋找一隻黑色的貓」，霍金這麼形容。不過，1974年，他將黑洞的引力和虛粒子的行為統合考察，做出了令人吃驚的證明：黑洞不是完全「黑」的！它們也能發熱，黑洞越小發熱越多。當人們顧及物質的小尺度行為時，粒子和輻射可以從黑洞漏出來，黑洞正如同一個熱體似地發射輻射（這一過程後來被稱為「霍金輻射」）。

這一發現轉變了人們對黑洞的全部觀念，事實上也是第一次將20世紀物理學的兩大基礎理論——量子力學和相對論結合一起。這一年，32歲的霍金被授予英國皇家學會會員資格，成為獲此殊榮的最年輕的科學家。1979年，霍金被劍橋大學聘為盧卡斯輸血講座教授，這證實牛頓當年在劍橋尊享的位置。

喜歡思索宇宙難題的霍金

可是，學術上聲譽日隆的霍金後來病情卻漸漸加重，已無法自己走動，只能坐在輪椅上。1985年，由於肺炎發作，霍金動了一次氣管切口手術，從此完全失去了說話的能力。然而，他依然在思考、研究、出成果，並且廣受矚目。他表達思想唯一的工具是一臺電腦聲音合成器。他用僅能活動的幾個手指操縱一個特製的滑鼠器在電腦屏幕上選擇字母、單詞來造句，然後通過電腦播放聲音。

為愛因斯坦辯護

霍金被譽為繼愛因斯坦之後世界上最著名的科學思想家和最傑出的理論物理學家，有人甚至把他看作是愛因斯坦之後最偉大的科學家，但他本人並不接受這種說法。

《時間簡史》（普及版）封面

霍金對愛因斯坦十分推崇，他們兩人在某些方面也頗為相通。霍金著作《果殼中的宇宙》開篇兩章「相對論簡史」和「時間的形態」，幾乎就是一個愛因斯坦專輯。實際上它論述了兩個大問題：愛因斯坦是如何為20世紀兩個基本理論，即相對論和量子論奠基的；愛因斯坦的廣義相對論使時間具有形態，這如何與量子論相互和諧。霍金稱，這本書的結構更像一棵樹：頭兩章是主幹，從主幹上分支出其餘各章。「它們對應於我在《時間簡史》出版之後研究或思索過的領域。這樣，它們呈現了當代研究的某些最活躍領域的圖像。」

霍金經常談到時間旅行

這是《時間簡史》（普及版）中的一幅插圖，霍金（右）坐在時間機器裡

由上述話語中不難看出愛因斯坦在霍金心目中的學術地位。不只於此，在《果殼中的宇宙》第一章末尾，霍金還飽含深情地寫道：納粹在德國發動了反對「猶太人科學」運動，而許多德國科學家是猶太人，這是德國不能製造原子彈的部分原因。愛因斯坦和相對論成為這個運動的主要目標。第二次世界大戰後，他要求盟國政府建立一個世界政府以控制原子彈。1948年他拒絕了擔任以色列新國家總統的邀請。正如他所說：「政治是為當前，而一個方程式是一種永恆的東西。」廣義相對論的愛因斯坦方程是他最好的墓志銘和紀念物，它們將和宇宙同在。

霍金甚至還為愛因斯坦所遭受的責難辯護：有人將原子彈的出現歸咎於愛因斯坦發現了質能關係，但是這和把飛機失事歸咎於牛頓發現了引力定律很相似。當他聽說出版了一本名為《100個反愛因斯坦的作家》的書時，回答道：「何必要100個人呢？如果我是錯的，一個人就足夠了。」

探求宇宙的「無中生有」

從宇宙大爆炸的奇點到黑洞輻射機制，霍金對量子宇宙論的發展作出了傑出的貢獻，他的目標是解決從牛頓以來一直困擾人類的「第一推力」問題。他想向大家證明的是，很有可能宇宙開始的方式是由科學定律控制的；宇宙是在根據特定的定律有規律地進化。

霍金著《時間簡史》（普及版）中的插圖解說量子理論

他認為他一生的貢獻是在經典物理學的框架裡，證明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性，黑洞越變越大；但在量子物理的框架裡，他指出，黑洞因輻射而越變越小，大爆炸的奇點不但被量子效應所抹平，而且整個宇宙正是起始於此。霍金後來寫道：「彭羅斯和我發現，如果廣義相對論是正確的，的確必須存在一個開始。」

今天，科學家已經達成共識：我們的宇宙是由一個果殼狀的瞬子創生而來的，而在瞬子上的量子理論所能允許的時空和物質的最小漲落，也就是果殼上的皺紋，即是宇宙中的諸如星系團、星系甚至生命的一切結構的起源。霍金是這個學說的主要創立者。他認為宇宙的邊界條件是宇宙沒有邊界，這樣就真正科學地實現了宇宙的「無中生有」的場景。換句話說，霍金的研究成果證明了以下觀點在理論上是可行的，即宇宙並不是無窮的，但同時也沒有界限。此一觀點的深意在於：它認定科學定律通過某種構造可以完全描述宇宙是如何起源的。

耐人尋味的是，霍金的宇宙論事實上使上帝沒有存身之處——如美國天文學家卡爾·薩根所評述的那樣：霍金髮現了「一個空間上沒有邊界、時間上沒有開始或結束的宇宙，一個創造者的存在是多餘的」——但梵蒂岡教廷仍對他表示了敬意。在承認了對伽利略審判的錯誤之後，教廷科學院又選舉霍金為該院院士。鮮為人知的是，霍金年輕時曾不遺餘力地為伽利略冤案的平反而奔走呼號，其前妻簡·霍金在1999年出版的一本回憶錄《音樂移動群星》中，記述了發生在1975年4月間的一件事：

「……在星期六教皇學院上課期間，他(霍金)將接受教皇授予的派厄斯六世教皇金質科學獎章。我想，宇宙大爆炸學說同創世說一樣對梵蒂岡具有吸引力。伽利略死後333年，終於出現了一個擁護者。史蒂芬需要對與會者發表講話，並且打算利用這個機會提出一個特別的請求——恢復伽利略的名譽。」

在霍金看來，宇宙學的激動人心之處在於，它是哲學和常規科學的結合部。在他看來，宇宙由秩序所制約，我們現在能部分地，而且在不太遠的將來能完全地理解這種秩序。也許這種希望只不過是海市蜃樓，也許根本就沒有終極理論，而且即便有我們也找不到。但是，努力尋求完整的理解總比對人類精神的絕望要好得多。

「方程式是永恆的」

報紙上曾登有這樣一幅照片，畫面上僅有三個人，其中一位是當時世界上最有權勢的人——美國總統柯林頓，一位是當今科學界的泰鬥級人物——坐在輪椅上的霍金。柯林頓側臉站在霍金身旁，向他鼓掌致意。照片旁有一句引人深思的注釋：「一時的政客與永恆的學者」。即便這位智慧的偶像曾經「被榮譽衝昏了頭」（霍金前妻語），他內心深處那種探求宇宙奧秘的強烈的使命感和意志力也未曾有過消減；而且，正是它們支撐著身患絕症的他活到今天，並且取得了令世界矚目的輝煌成就。

在美國情景喜劇《生活大爆炸》中，霍金扮演的自己出場，謝耳朵看到他之後，頓時暈倒在地

「如果你的身體有殘疾，那麼就不可能再讓你的精神也殘疾了。」霍金曾這樣說道。1992年，他對一位來訪者坦言：「我不認為我的生活已經偏離了正常人的生活，我也不相信我身邊的人會這樣說。我不覺得自己是殘疾人，僅僅只是我的運動神經元細胞產生了一些故障而已，就如同我只是患了色盲一樣。我想我的生活很難被說成和普通人一的生活一樣，但是我在精神上與一般人別無二致。」

2007年4月，霍金在飛機上體驗零重力

儘管霍金被「囚禁」在沒有多少自由空間的輪椅上，但他卻是我們這個時代最富於勇氣、才智和成就的空間旅行者。雖然在許多人看來霍金遭受了「人生之大不幸」，可也就在這跟「不幸」搏擊的艱難歷程中，印證了他的同胞、大詩人彌爾頓所言：「頭腦是它自己的住所，它在其中可製造地獄的天堂，也可製造天堂的地獄。」

2009年8月，霍金獲得代表美國平民最高榮譽的總統自由勳章

美國總統歐巴馬親自為霍金頒獎

有一次，在學術報告結束之際，一位年輕的女記者這樣發問：「霍金先生，運動神經元疾病已將你永遠固定在輪椅上，你不認為命運讓你失去太多了嗎？」

霍金演講

面對這個略顯唐突的問題，明星科學家霍金用他當時還能活動的手指，艱難地叩擊鍵盤。於是，隨著合成器發出的標準倫敦音，寬大的投影屏上緩慢而醒目地顯示出如下一段文字：我的手指還能活動；我的大腦還能思維；我有終生追求的理想，有我愛和愛我的親人及朋友。對了，我還有一顆感恩的心……。

心靈震顫之後，掌聲雷動。

霍金簡介

史蒂芬·霍金（Stephen Hawking，1942-2018），英國理論物理學家，劍橋大學應用數學和理論物理系終身教授。先後畢業於牛津大學和劍橋大學，獲劍橋大學哲學博士學位。1974年成為英國皇家學會最年輕的會員，1979年被提名為劍橋大學盧卡斯數學教授。1978年和1988年先後獲得物理學界兩項大獎——阿爾伯特·愛因斯坦獎與沃爾夫獎。1989年獲英國爵士榮譽稱號。著有《時間簡史》《果殼中的宇宙》《大設計》等。

霍金的自傳

霍金著《我的簡史》講述了自己的人生和思考軌跡，解讀的是他本人的小宇宙，還收錄了他人生各個時期多幅珍貴的照片。這是第一本霍金在新技術幫助下完全憑藉一已之力寫成的書。有評價說，讀此書感覺就像是一位預期自己活不長並成就顯著的老人寫給世人的一封告別信。

霍金自傳《我的簡史》封面

霍金與《時間簡史》

世人知道霍金的大名更多的是來自他撰寫的一本有關宇宙學的著作《時間簡史：從大爆炸到黑洞》。此書自1988年首版以來已被翻譯成40多種文字，銷售了近2500萬冊，創造了科學著作和全球出版史上的一個奇蹟。這本幾乎沒多少人能夠看懂的科普名著，增進了大眾對黑洞的了解和對科學的興趣，也深化了關於宇宙起源的討論。

霍金的《時間簡史》自1988年首版以來已被翻譯成40多種文字，銷售了近2500萬冊，創造了科學著作和全球出版史上的一個奇蹟。

霍金把他的書之所以大受歡迎歸結為兩個因素：一、人類對自身來源的好奇；二、公眾總是尋找英雄。他本人顯然滿足了這兩種願望，他把自己看作是一名努力揭示主宰宇宙的基本規律的科學家。「假如我能激勵他人對那些規律產生興趣，我感到高興，但那一直不是我的主要目標」。

有人告訴霍金，他在書中每寫一個方程式，都將使銷量減半。「於是我決定不寫什麼方程。不過在書的末尾，我還是寫進了一個方程，即愛因斯坦的著名方程E=mc2。我希望此舉不致嚇跑一半我的潛在讀者。」霍金認為，科學家和工程師喜歡用方程式的形式表達他們的思想，因為他們需要數量的準確值。但對於大多數人來說，定性地掌握科學概念已經足夠，而這些概念只要通過語言和圖解而不必用方程即能表達。

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