哲人思緒 宇宙結構只是一個數學模型

哲人思緒  宇宙結構只是一個數學模型

物理學家史蒂芬・霍金教授在布魯塞爾
　　　　　　　　　　　　　　

５月１９日，我在布魯塞爾遇見物理學家史蒂芬・霍金教授，很高興與他交談並且合影 留念。第二天星期日，他與諾貝爾化學哈羅德克羅托為２０００人作了報告。

一般檔案資料與霍金幾本專記書籍介紹說，霍金１９４２年１月８日出生於英國牛津，在倫敦 附近的幾個小鎮度過了自己的童年。他們的鄰居回憶說，當霍金還是個嬰兒時就非常引 人注目，他的頭很大，異於常人。霍金的父親是一位從事熱帶病研究的醫學家，母親則 從事過許多職業。

霍金熱衷於搞清楚一切事情的來龍去脈，當他看到一件新奇的東西時總喜歡把它拆開， 把每個零件的結構都弄個明白不過他往往很難再把它裝回原樣，因為他的手腳遠不如頭 腦那樣靈活，寫的字也很潦草。從童年時代起，運動從來就不是霍金的長項，幾乎所有 的球類活動他都不行。

霍金在１７歲時進入牛津大學學習物理，當時，他並不是一個用功的學生。到牛津的第三 年，霍金髮現自己變得更笨拙了，有一兩回沒有任何原因地跌倒甚至昏迷。１９６３年，剛 過完２１歲生日的霍金被確診患上了「盧伽雷氏症」，即運動神經細胞萎縮症。大夫對他 說，他的身體會越來越不聽使喚，只有心臟、肺和大腦還能運轉，到最後，心和肺也會 失效。霍金被「宣判」只剩兩年的生命。

起初，這種病惡化得相當迅速。霍金幾乎放棄了一切學習和研究，一心等死。這時候， 簡・瓦爾德出現了，霍金開始很抗拒這段感情，但愛情的力量卻無法抗拒。１９６３年 ７月１４日，相識僅僅一年的簡和霍金結了婚。簡在自己的回憶錄《音樂移動群星》中寫 道：「我非常愛他，任何東西都不能阻止我和他結婚，我願意為他做飯、洗衣、購物和 收拾家務，放棄我自己以前的遠大志向。」他們有三個孩子，第一個兒子羅伯特出生於 １９６７年，女兒露西出生於１９７０年，而第二個兒子提莫西出生於１９７９年。可以說，與簡的 訂婚完全改變了霍金的命運。為了養活妻兒，他需要一份工作，為了得到工作，就需要 一個博士學位。因此，他開始了一生中的第一次用功。令他十分驚訝的是，他發現自己 很快成為了頂尖的物理學家。愛情有了圓滿的結局。但霍金的病情漸漸加重。１９７０年， 在學術上聲譽日隆的霍金不得不坐進輪椅。直到今天，他再也沒離開它。

１９８５年，霍金動了一次穿氣管手術，從此完全失去了說話的能力。他就是在這樣的情況 下，極其艱難地寫出了著名的《時間簡史》，探索著宇宙的起源。霍金取得了巨大成功 ，但他和簡的婚姻走到了盡頭。 １９９０年霍金與結婚２５年的妻子簡・懷爾德離婚，１９９５年霍金與他的護士伊萊恩 ・梅森結婚。之後一段時間裡，曾傳出霍金遭妻子虐待毒打的傳聞，但霍金替妻 子辯護說：「因為她，我才能活到現在。」 １９７０年，２８歲的霍金和彭羅斯合作，證明了「奇點定理」：在一定條件下，按照廣義相 對論，宇宙大爆炸必然從一個「奇點」開始。為此，他們共同獲得１９８８年的沃爾夫物理 獎。

霍金的貢獻對黑洞性質的研究和提出量子引力論論重要程度雖趕不上牛頓的萬有引力定 律和愛因斯坦的兩個相對論，但是足以為他在科學名人堂中留下一席之地。尤其是他的 量子引力論，整合了現代物理學的兩大領域，自成體系，使他能與創立分子生物學（生 物學與量子力學的成功結合）的科學家平起平坐。

在霍金之前，所有的宇宙理論都以廣義相對論為基礎，但是只有霍金髮現並證明了廣義 相對論只是一個不完全的理論，它不能告訴我們宇宙起源的細節。因為根據廣義相對論 得出的結論，所有的物理理論（包括它自己在內）都將在宇宙的開端處失效。顯然，廣 義相對論只是一個不完全的「部分」理論，所以奇點定理真正所顯示的是，在極早期宇 宙中有過一個時刻，那時宇宙是如此之小，以至於人們不得不考慮用２０世紀另一個偉大 的「部分」理論――專門描述微觀世界的量子力學――來研究它。霍金和他的搭檔被迫 從對極其巨大範圍的理論研究轉到對極其微小範圍的理論研究。

恰好有這樣一種可能存在的微型天體可作為研究對象。正如霍金後來回憶的：「研究黑 洞的性質，有助於我們同時理解大爆炸奇點，因為他們之間實在是太相似了。」於是他 開始潛心研究黑洞問題。

１９７３年首部著作《空時的大型結構》出版。１９７４年宣布發現黑洞輻射，霍金成為英國皇 家學會最年輕的會員。１９７８年獲世界理論物理研究的最高獎愛因斯坦獎。１９７９年《廣義 相對論評述：紀念愛因斯坦百年誕辰》出版。１９８１年無邊界構想《超時空和超引力》出 版。１９８５年實行氣管造口手術失去語言能力，使用帶語音合成器的計算機。１９８８年《時 間簡史：從大爆炸到黑洞》出版，獲沃爾夫基金獎，此書目前在全世界的銷量已經高達 ２５００萬冊。１９９３年《黑洞與嬰兒宇宙及其他論文》出版。

霍金現在通過眼球指令計算機合成器發聲說話。霍金罹患肌肉萎縮症，既不能說話，又 不能做手勢，現在只能通過眨眼和眼光的移動同外界交流。霍金要說一句話，就要逐字 逐句輸入計算機，再由語音合成器將文字化成聲音，一分鐘只能處理３５個字。霍金的助 手解釋說，在霍金的眼鏡上，約距右頰一英寸，安裝了負責偵測肌肉活動的紅外線發射 器及偵測器，譬如他想打招呼，說聲「你好」，他先以眼球控制紅外線感應器，選定在 屏幕上輪流出現的英文字母，當計算機出現他想要的「Ｈ」時，霍金再動眼球，這樣計 算機就會不斷顯示以「Ｈ」為字頭的英文字，當「ＨＥＬＬＯ」出現時，他又動一下以選定這 個字，當他造句完畢后，才把句子傳至合成器發聲。

最近霍金嘗到四分鐘的歡樂失重船上的失重狀態。據國外媒體報道，４月２６日，英國著 名物理學家史蒂芬・霍金在大西洋上空的飛機中體驗失重飛行，並安全返回地 面。這次零重力體驗為他的太空冒險計劃走出了關鍵的一步，也使他成為首位體驗失重 飛行的殘疾人。霍金感到滿意八個序列３０秒的失重狀態，每個人，也就是說４分鐘總數。 飛機上升到１００００米高空，４５°角，然後將再度下跌為２.５００米。兩個階段之間，乘客在浮法 約三十秒脫離約束的失重。霍金認為，「人類沒有前途，如果不能夠去空間」，並建立殖民地 。「地球上的生命受到威脅，越來越多的破壞，這樣的災害氣候加熱，核戰爭中，一種新的病 毒基因創造了人類的其他危險」。

霍金的研究對象是宇宙，但他對觀測天文從不感興趣。霍金的方法是靠直覺。在１９７０ 年１１月的一個夜晚，霍金在慢慢爬上床時開始思考黑洞的問題。他突然意識到，黑洞應 該是有溫度的，這樣它就會釋放輻射。也就是說，黑洞其實並不那麼黑。經過三年的思 考，１９７３年１１月，霍金正式向世界宣布，黑洞不斷地輻射出Ｘ光、伽馬射線等，這就是 有名的「霍金輻射」。而在此之前，人們認為黑洞只吞不吐。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。霍金獲得１９８８年的沃爾夫物 理獎。但２００４年７月２１日，在愛爾蘭首都都柏林舉行的「第十七屆國際廣義相對論和萬 有引力」大會上，霍金向來自世界各地齊聚一堂的科學家和記者宣告，推翻自己若干年 前建立的著名黑洞理論，並重新討論了信息守恆的問題。史蒂芬・霍金的講話在 整個物理界掀起了軒然大波。它意味著，黑洞不再可能幫我們通向其它的宇宙，或者通 向我們宇宙的其他角落―――這是霍金以前提出來的說法。

霍金三次到中國。１９８５年霍金來北京的時候，《時間簡史》還沒有出版，霍金也遠不像 今天這麼著名。當時他分別在中國科技大學、北京師範大學演講。２００２年，霍金再次來 到北京參加國際數學家大會，引起轟動。他的《時間簡史》此時已出版。這部人類歷史 上最成功的科普書，銷量達到２５００萬冊。北京國際會議中心的會場爆滿，擁有一張霍金 公開講座的門票成了那幾天許多北京人談論的話題。２００６年，霍金應好友、著名數學家 丘成桐教授之邀，到北京參加２００６年國際弦理論大會。霍金第三次來到北京。他帶來的 仍然是自己關於宇宙學最新的研究《宇宙的起源》。霍金稱自己喜歡中國文化、美食， 還有漂亮的中國女性。而去西藏，是他可能永遠無法實現的童年夢想。

今年６月，報刊雜誌紛紛介紹美國凱斯西儲大學的物理學家勞倫斯・克勞斯發表在 新一期出版的《物理評論Ｄ》上的文章指出黑洞是不可能存在的，和他同事構建了一個復 雜的數學公式，能夠證明黑洞並不存在。他表示，公式的關鍵在於引入了愛因斯坦提出 的時間延緩效應。

克勞斯教授舉例說，愛因斯坦在廣義相對論中描述，飛向黑洞的宇宙飛船中的乘客會感 覺到飛船在加速，而在黑洞外部的觀測者看來，飛船的速度卻在變慢，而當飛船到達某 一點時，這個速度可以慢到觀測者認為飛船似乎會永遠停在那裡，但永遠不會被湮沒而 消失。克勞斯教授介紹，沒有人真正見過黑洞。科學家會認為宇宙中遍布著黑洞，可能 是由能夠產生巨大引力的特大質量恆星遺骸引起的類似效果。

美國宇航局戈達德空間飛行中心的天文學家金伯利・維爾評論說，人們對黑洞和 宇宙的認識不會如此之快。儘管她十分欣賞凱斯西儲大學科研小組所描述的結論，但問 題是人類目前的觀測還沒有找到任何能夠支持這一觀點的事實證據。維爾說，天文學家 確實在銀河系中央的超大黑洞附近觀測到星際物質毫無蹤跡地消失。不過，迄今為止， 沒有人真正探測到「霍金輻射」，找到黑洞蒸發的證據。如果黑洞真的不存在，那麼， 關於宇宙的起源的理論就將被改寫。

美國國家天文台宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家陳學雷研究員用通俗的語言給 記者解釋了克勞斯教授的論點，就克勞斯教授舉的飛船的例子，當飛船還沒有進入到視 界這個點的位置時，就直接蒸發了，既然不進入視界，也就無所謂形成黑洞了。陳學雷 研究員介紹，黑洞可能存在的最初說法是在１７８４年由一名英國地質學家提出，后經２０世 紀最偉大的科學家愛因斯坦加以核實，但也僅停留在數學解釋上。一直到上世紀６０年代 ，美國科學家韋勒提出「黑洞」理論，他稱根據愛因斯坦的理論證明：太空中有一些質 量很大的天體，由於內部存在強大的引力，天長日久就自行塌縮成一種新的、體積很小 但密度極大的天體。任何物質，包括光線，只要在它的旁邊，就會被吸引進去而消失。 逐漸的，韋勒的說法被物理學界所普遍接受。１９７４年，英國著名天體物理學家霍金提出 「霍金輻射」理論，至此，黑洞存在成為物理學界的主流觀點。如果根據克勞斯教授的 新理論，黑洞不存在，那麼霍金的著名輻射理論也將不復存在，這將是對近幾十年來世 界天文物理學理論的顛覆！

參考資料：

⒈（人民網資料）１９４２年１月８日著名物理學家史蒂芬・霍金誕辰 ⒉稿源：新浪科技霍金完成零重力飛行體驗 ⒊史蒂芬・霍金生平介紹＿幸福一刻 ⒋人物資料：史蒂芬－霍金 ⒌時間簡史續編－史蒂芬・霍金 ⒍《史蒂芬霍金果殼中的宇宙》 ⒎輪椅上的傳奇科學家－－－－史蒂芬・霍金