让斯蒂芬·霍金扬名世界的发现

文章作者:勺子 | 2016-04-14
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斯蒂芬·霍金或许是当代最著名的天才了。但是,到底是什么使他扬名世界的呢?除了他在对抗疾病中展现出来的令人难以置信的达观,以及他的那种让人立刻就能辨认出来的、充满怀旧色彩的机器合成音,还有他在动画片《辛普森一家》和科幻电影《星际迷航》里跑龙套的角色。

是他发现了黑洞? 还是他发现了宇宙大爆炸?又或者是,他告诉了我们时间是什么?还是他完成了一些重大发现?不,不,不,不,这些都不是他做的。想拨开这错综复杂的层层迷雾,说明白他到底发现了什么,真的是件很难的事情。霍金的传奇经历,掩盖了他真正的成就。

2016年,霍金主讲了里斯讲座(译者注: 里斯讲座是英国广播公司一年一度的重要讲座,每年邀请名人发言)。这一邀约体现了演讲者的地位:不仅仅是对这位专家在他的专业领域取得的地位的认可,还意味着他已被认为是公共知识分子的化身。因此,现在似乎正是抛开笼罩在霍金身上的光环,审视他作为物理学家的好时机。

他的天才贡献完全配得上一个诺贝尔奖

在就谁是20世纪最伟大的物理学家而进行的几次民意调查中,霍金要么榜上无名,要么排名垫底。甚至在谁是在世的最顶尖的物理学家民意调查中,也是如此。那么,他是不是根本就不像人们吹捧的那样呢?

恰恰相反,霍金在现代物理学中所占的分量极为重要,只是在物理学家中有很多惊人的头脑,而霍金只是其中之一。但是,如果将霍金在物理理论的基础领域做出的贡献放在一起加以考虑的话,那么他的天才贡献完全配得上一个诺贝尔奖。这些领域是:万有引力理论、宇宙学、量子理论、热力学和信息论。

大型天体会扭曲其周围的时间和空间

霍金的科学生涯始于广义相对论。这是阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪10年代提出的万有引力理论,以取代艾萨克·牛顿的原有理论。

牛顿关于万有引力的观点是,大天体都能制造出一个可以渗透到空间中的引力场,就像磁场一样。这一引力场能够使有质量的物体(如地球) 对另一个有质量的物体(如月球或者一个苹果)施加一个力。但牛顿并未说明这个力到底是怎么回事,他认为那只是自然界中的一个事实,所有有质量的物体都会创造出这样一个场。

但是,根据爱因斯坦的广义相对论,万有引力并非空间中的场,而是空间本身的一种属性。

爱因斯坦的观点是:大天体,比如太阳,会使其周围空间发生扭曲;这一空间的扭曲会影响到其周围所有事物的运动。举例来说,正是这一扭曲使得地球运行在环绕太阳的公转轨道上,就如一颗大理石弹珠绕着一个碗的边沿旋转一样。

根据爱因斯坦的理论所做的预测,其中之一就是:一个足够大的天体,比如一颗质量足够大的恒星,在其生命的最终阶段可能在其自身引力的作用下塌陷;所有的质量将收缩成一个密度无穷大、体积无穷小的点,称为奇点。

这一塌陷将制造出一片被万有引力严重扭曲的空间,即便是光也无法逃脱。我们将其称为黑洞。

但是很多物理学家无法相信奇点这类稀奇古怪的理论。他们认为,某些过程会干预其中,从而阻止这一幕的发生。因此,该观点多年来一直停滞不前。

直到1959年霍金在牛津大学开始他本科阶段学习的时候,物理学家才开始认真对待这一观点。该观点相继被美国新泽西州普林斯顿大学的约翰· 惠勒(据说正是他给黑洞取的名字),以及英国的罗杰·彭罗斯和苏联的雅可夫·泽尔多维奇仔细研究。

在物理学本科毕业后,霍金师从宇宙学家丹尼斯·夏默,开始在剑桥大学攻读博士学位。他的注意力被这股对广义相对论和黑洞的复苏浪潮所吸引。

也正是从此时起,霍金的非凡才智开始大放异彩。彼时,他刚刚在牛津大学啃下了一等荣誉学位,还有很多数学问题等着他去研究。同时,他也刚刚被诊断出患有肌萎缩侧索硬化症。这是一种运动神经元疾病,最终将使他完全瘫痪。

霍金拓展了黑洞理论

在导师夏默的指导下,霍金开始思考宇宙大爆炸理论。该理论认为,宇宙始于一个极小的点,这个点随后发生爆炸,从而诞生了宇宙。现在这一理论已被广泛接受,在当时却是颇具争议的。

熵,就是指物质变得更加混乱

霍金意识到,宇宙大爆炸很像是黑洞塌陷的反过程。他与彭罗斯进一步发展了这一观点。1970年,两人共同发表了一篇论文,认为广义相对论揭示了宇宙必然始于一个奇点。

此时,霍金的病情已经很严重了,即使拄着拐杖行走,对他也是一件极为困难的事。1970年年末的一个晚上,当霍金费力地爬上床的时候,他突然对黑洞有了新的领悟。当时他并不知道,他的这一领悟将激发有关黑洞的一系列发现。

霍金意识到,黑洞只可能增大,永远不会变小。

这似乎是显而易见的。因为,如果靠黑洞太近的话,任何物质都无法逃离,黑洞永远只会吞噬更多物质,从而使自身获得更大的质量。

一个黑洞的质量决定了其大小,而其大小是以视界半径来计量的。视界是一个临界点,越过该临界点的任何物质都无法逃离。而且,这一边界还将不断地向外扩张,就像一个正在充气的气球一样。

但是,霍金走得更远。他说,黑洞永远也不可能被分割成更小的个体,哪怕两个黑洞相撞时也一样。

而后,霍金做出另一个大胆的预测。他声称,视界永远扩张的表面区域类似于另外一种物理常量,根据物理学,这个物理常量只能增加。

这一物理常量即为熵,它是用来度量一个系统的无序程度的。在一个晶体中,有规律地排列在一起的原子,其熵值是比较低的;而在气体中,到处随机漂移的原子具有较高的熵值。

根据热力学第二定律,宇宙的总熵只可能增加,永远不会减少。换句话说,随着宇宙年龄的增长,宇宙也将不可避免地变得更加无序。霍金发现,自然界的这两条定律——黑洞表面的增长以及宇宙总熵值的增长——是如此相似。

霍金发现黑洞会辐射能量

1970年年底,当霍金宣布他的研究成果时,一位名叫雅各布·贝肯斯坦的年轻物理学家做出了一个更为大胆的猜想:如果这两者之间不仅仅是相似,结果又会怎样呢?贝肯斯坦认为,可以把黑洞视界的表面作为黑洞熵值的一个度量手段。

但是,这一想法似乎是错误的。如果一个物体有熵值,那就意味着它必须有温度;而如果它有温度的话,它就会向外辐射能量。然而,黑洞的重点特征就是没有什么东西能够逃出黑洞。原文地址:/article/201604/880.html

出于这个原因,大多数物理学家——包括霍金——都认为贝肯斯坦的主张毫无意义。甚至贝肯斯坦自己也说,黑洞的表观温度不可能是真实的,因为由此会得出一个自相矛盾的结论。

但当霍金着手去证明贝肯斯坦的错误时,却发现这位年轻学生是基本正确的,就像后来他承认的那样。为了证明这一结论,他不得不设法将物理学中的两个不同的领域——广义相对论和量子力学——统一起来。此前,还从未有人做到这一点。

量子理论是用来描述微小到看不见的东西的,例如原子和组成原子的粒子;而广义相对论是用来描述恒星和星系等宇宙尺度的事物的。

这两种理论,似乎从根本上就是不相容的。广义相对论认为,空间是光滑并且连续的,就像一张床单一样;而量子力学坚持认为,这个世界以及其中的万事万物,从最小尺度上讲,都是粒状的,并形成局部不连续的块状。

为了统一这两种理论,物理学家已经奋斗了数十年。如果能够做到这一点的话,将形成一个万有理论。借用一句俗套的话讲,万有理论可是现代物理学的“圣杯”。

在霍金早期的科学生涯中,曾渴望对这一理论一探究竟。但是在他对黑洞进行的量子分析中,并未提出过万有理论,而是采用了一种对现有两种理论进行拼凑的方式。

根据量子理论,人们认为的真空事实上远非空无一物。因为无论从哪个尺度上来讲,空间都不可能是平滑和绝对空无一物的,而是生机勃勃的。

成对的粒子总是不断地自行出现,一个由物质组成,另一个由反物质组成。粒子对中的一个带有正能量,另一个带有负能量。因此,从整体上讲,并没有新能量的产生。随后,这两个粒子彼此湮灭,而湮灭的速度如此之快,以至于我们无法直接检测到它们。因此,它们被称为“虚拟粒子”。

霍金认为,这些成对出现的粒子可以由“虚拟粒子”升级为“真实粒子”,但这种情况只可能发生在它们恰好出现在一个黑洞附近的时候。

在这种情况下,成对粒子中的一个有可能被吸入视界,而它的“同伴”却滞留在外面;这个滞留在外面的粒子,随后很可能被喷射到太空中。如果被黑洞吸入的是负能量粒子,那么黑洞的总能量将下降,因此它的总质量也会下降。

最终的结果就是,黑洞会辐射能量(也就是人们通常所说的霍金辐射),逐渐变得越来越小。换句话说,霍金已经证明自己错了:从根本上讲,黑洞是可以变得更小的。这也就是说,黑洞会慢慢蒸发,黑洞并不是真正的黑。

更重要的是,这一收缩过程并不一定是缓慢而稳定的。

1971年,霍金提出了一个关于黑洞辐射的激进的观点。他认为,在宇宙大爆炸过程中,一些物质团可能塌陷成小型黑洞。每个物质团可能重达数十亿吨(虽然这听起来给人一种很大的概念,但实际上它们远比地球小得多),其形成的黑洞可能比一个原子还要小。

因为黑洞随着其视界表面越小温度会越高,所以这么小的黑洞将是非常热的,霍金将它们描述为“白热”。它们会不断地放射出霍金辐射,同时不断地损失质量,直到最终消失。

因此,黑洞是不会安安静静地一路走下去的。一个微型黑洞会随着它尺寸的变小越来越热,最后,它将以相当于100万颗百万吨级TNT当量的氢弹发生爆炸。

霍金在1974年发表于《自然》杂志的一篇论文中,描述了霍金辐射理论以及原始微型黑洞的爆炸。这是一个令人震惊的、充满争议的构思。现在,大部分物理学家都相信,黑洞的的确确会产生霍金辐射。

迄今,还没有人设法检测到过霍金辐射。但这并不奇怪:一个普通黑洞的温度也就刚刚大于绝对零度,因此它以霍金辐射的方式释放出的能量是微乎其微的。

霍金提出黑洞的消失会摧毁信息

1981年,霍金又宣布了正在消失的黑洞的另一个令人忧虑的问题。霍金说,黑洞的消失会摧毁信息。

当粒子或光线进入黑洞视界内以后,就再也不会返回了。而任何诸如粒子或光线之类的实体,都可以被认为是携带有信息的,例如有关粒子质量与位置的信息。这些信息也会被封锁在黑洞里。

如果黑洞烟消云散了,那么对这些信息来说,又会发生什么呢?这里有两种可能:它们要么以某种形式进入霍金辐射中,要么跟黑洞一样永远消失。霍金声称,不管哪种方式,最终都是它们消失了。

当霍金在旧金山就这一观点发表演讲时,美国物理学家伦纳德· 萨斯坎德就表示了反对。他认为,如果信息从宇宙中消失,很难想象那会造成多大的混乱。他是为数不多的持有这种观点的人之一。

我们喜欢按照先有因、后有果的方式进行想象,而不是其他什么方式。虽然这些粒子通常在现实中并不存在,但是,从原则上来说,我们能够以宇宙中任何粒子的现行状态为基础,追踪并重建它的历史。

然而,如果信息在黑洞中被摧毁了,我们就不可能由果到因地进行重建了。如果信息真的能够丢失,那么整个因果理念都将开始摇摇欲坠了。

因此,当霍金提出黑洞摧毁信息的观点时,萨斯坎德就坚称这绝对是错误的。

这场以一种相当学院派的方式进行的论战持续了十几年。但在1997年,它演变成了一场赌局,而这正是霍金喜欢的方式。霍金与加州理工学院的约翰·裴士基打赌,赌注是一部百科全书。霍金赌信息会消失在黑洞中,而裴士基赌事实并非如此。

2004年,在都柏林召开的一个大会上,霍金最终承认,萨斯坎德是对的,裴士基也得到了他的百科全书。但霍金以其典型的倔强性格指出,信息是以一种错误的形式返回宇宙的,而且这种以错误的形式返回的信息事实上是无法被解读的,并且他已经对此做出了证明。

第二年,霍金发表了一篇简短的论文,对他的观点做了进一步说明。但这篇论文未能说服所有人认可他的观点。

这个小插曲有着典型的霍金风格。他大胆且才华横溢,但有时不够严谨,使大家无法完全信服。有时候,他似乎是受直觉驱动做出论断,最终可能被证明是完全错误的——就如他打赌称希格斯粒子无法通过实验检测到一样。

在霍金研究黑洞的过程中,他将广义相对论、量子理论、热力学和信息论结合到了一起,这是开创性的和卓越的。他的其他研究成果都无法与此相提并论。

《时间简史》让霍金名扬全球

20世纪80年代,霍金试图用量子力学术语来描述宇宙大爆炸。在与詹姆斯·哈特尔的合作中,霍金提出了一个简单的量子力学公式,想用它来描述早期的整个宇宙。但是这个理论太过笼统,以致对许多物理学家来说,它没有太大的意义。

然而,这个理论公式的的确确向我们揭示了一件事情,即追问宇宙的终极起源。

量子力学指出,当宇宙还是极其微小时,即不超过1幺米的十亿分之一(译者注:1幺米等于10-24米),空间和时间的界限是极其模糊的。这就意味着,在早期宇宙中,尽管时间和空间是各自独立的,但它们的界限并没有什么意义。时间“起源”的概念消失在量子泡沫之中。

这是霍金在其畅销书《时间简史》(1988)中提出的模型,这也奠定了他作为全球名人的地位,但这一观点仍存在争议。

现在有这么一种观点,认为霍金虽然有较强的创造力,但一直是在修修补补,从某种程度上可以说是白忙活。在他职业生涯的末期,他都是在对他人的构思进行深入思考,从而形成自己的观点。

这是霍金的励志故事的另一面。有一种说法,认为他具有取之不尽的智慧源泉。事实上,尽管是他这样的天才,也会像其他人一样犯错。他的故事是很激励人心,但并不意味着我们就应该否定他人性的一面。

也许,这是因为我们的社会对残疾人还有些不当的看法,使得我们对一位严重残疾,却拥有超乎常人智慧的人士,感到非常着迷。

延伸阅读

霍金的故事》是由菲利普?马丁执导,本尼迪克特?康伯巴奇、迈克尔? 布兰登等主演的一部剧情片。

影片采用双线叙述的手法,以霍金的剑桥生活为主线, 穿插两位“发现宇宙大爆炸残余辐射”的科学家接受电视采访的过程。电影里的霍金是一个任性、直率,但又不服输的人。他坚持在生病期间住在公共病房,坚持在浴缸中做闭气练习,坚持直言不讳地指出导师的错误,坚持一个人学习生活,坚持在心爱的简面前逞强,坚持做自己觉得对的事情,坚持不停地思考,坚持活着,像一个健康人一样坚持着本就属于每一个人的尊严。他的任性让他直率,他的倔强让他从不向生命的曲折低头。他的才华让他出类拔萃,他对事业的热情成为他孜孜不倦的最大动力。

 

成功的霍金像个天真的孩子,执拗地钻进了他的梦想,执拗地让全世界都听到了他的声音。他就像宇宙中那颗遥远的星,尽管在黑暗的某处已经悄悄陨落,但那耀眼的光芒仍旧穿越了几十万光年,在我们的眼前闪耀。

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