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霍金:时空中的旅者


霍金

时空中的旅者

2018年3月31日午后2点,一场不对外界开放的葬礼在剑桥大学冈维尔与凯斯学院附近的圣玛丽教堂举行。葬礼的主角是本世纪迄今最具传奇色彩的物理学家史蒂芬·霍金,他的骨灰将会存放在著名的西敏寺教堂,与牛顿和达尔文为邻。作为当世最重要的广义相对论专家和宇宙学家,以及史上最畅销的科普著作作者,他的知名度与前两位相比,堪称毫不逊色。

剑桥大学冈维尔与凯斯学院,霍金大半生都在这里工作。

霍金的去世是在此前两周的3月14日,其生平在各种媒体随后的狂轰滥炸中,谅必已被公众所熟知。他在1942年1月8日出生,正好是伽利略逝世三百周年——他本人也对此津津乐道,虽然也会提到“大约有20万个婴儿在同一天诞生”。同学回忆他说话笨拙,字写得无比糟糕,或许这与他后来罹患的疾病有关:渐冻症,这种无法治疗的罕见病,正是因为霍金本人和前几年风靡网络的“冰桶挑战”而为人们所知。

霍金在21岁那年被确诊为渐冻症,那时他尚未拿到博士学位,刚刚认识后来的第一任妻子。也就是说,他的所有科学贡献(和人生大事),都是以一位渐冻症患者的身份完成的。这些贡献包括对黑洞的一系列思索,和对宇宙命运的诸多探究,其中最重要的那些基本都在1985年前作出。这年他还写完了《时间简史》,他起初自陈是为了替女儿筹学费,后来承认还有为自己筹一些医药费的打算,因为治疗和护理的费用、以及保证他工作能力所需要的相关设备,无一不是价格高昂。幸而《时间简史》迅速走红,在畅销书排行榜上“霸榜”长达数十周,至今已被译为40余种语言、在全球卖出上千万册。物理学家霍金需要依靠剑桥的资助,而畅销书作家霍金则不再为各种费用所苦。他成为了一个奇迹:在渐冻症的摧残下,依然能够不断工作并得享天年,一生有两任妻子、三名子女,一直活到76岁才撒手人寰。

《时间简史》首版封面,作序的是卡尔·萨根。

霍金的一生大部分时间只能在轮椅上度过,被囚禁在这个小小的、日渐枯萎的躯体中,就连最基本的发声都需要依赖人工装置的辅助(并且还有一段时间这套装置只能发出女声),拼出一个句子平均需要十五分钟。但他的精神却似乎从未受到束缚,来去于宇宙的各个最极端的角落,在时空中悠然行走。这种极度的反差赋予了他强烈的传奇色彩,同时也无疑改变了他的工作方式:他在任何时候都不可能独处思考,身边必须随时有人;阅读文献时非常缓慢,因为必须过目不忘,否则回头再要寻找什么几乎是不可能的;医生预测他寿命无多,虽然这些预测年复一年的被“打脸”,但显然会影响他对工作的计划和安排。同样研究黑洞的好友基普·索恩回忆说,霍金在大约70年代初开始用高或然性取代了决定性,不再追求理论的完美,转而力图尽快地处理掉问题,“我宁愿是正确的,而不是严密的。”这显然也与他随时准备面对死亡的心态有关。包括那本著名的《时间简史》,其写作方式也折射出了他工作方式的与众不同。虽然这是一本超级成功的畅销书,但其销售量和自认读懂的读者数量之比,大概也创下了历史新高。霍金去世那天,在社交媒体上刷屏的,除了对他的介绍和悼念之外,最多的就是表示读过他的《时间简史》,“但没读懂”。

这对《时间简史》并不公平。平心而论,霍金写作这本书的文笔绝不晦涩,而且其中运用了大量匠心独运的类比,以帮助读者理解一些超乎生活常识的图景。随后的科普作者和读者或多或少都受惠于它,不仅仅是因为它事实上开启了一个科普畅销书的时代,让出版商意识到这样的书也是可以大卖的,也因为一些关于科普写作的基本理念,比如“一个公式可以赶走一半的读者”,从那时候起开始深入人心。

霍金在一架模拟失重飞行的飞机上体验“零重力”。Jim Campbell/Aero-News Network

《时间简史》的副标题是“从大爆炸到黑洞”,比起“时间简史”,这才是它真正的主题。霍金是第一个把大爆炸和黑洞联系起来的人,这也是他作为物理学家的扬名立万之作。当时人们已经知道,对广义相对论的数学解表明,在过去的某一个时刻,星系之间的距离为零。这个时刻被称为“大爆炸”,宇宙在此时是一个点,密度和时空曲率无穷大。这个解带来的问题是,广义相对论在从它自己推出的大爆炸奇点处失效。物理学家们既不喜欢这个矛盾,也不喜欢时间有一个开端的观念,因此不少人做出种种努力试图回避掉这个奇点,但都没有成功。然后霍金来了,他看到彭罗斯对恒星坍缩成黑洞的证明,忽然想到把黑洞中的奇点和大爆炸的奇点联系起来,随后和彭罗斯一起用数学方法证明了奇性定理:只要广义相对论是正确的,那么在宇宙的过去必须有一个奇点。这是一个定理而不是假定,意味着它是真实的。宇宙起始于一个大爆炸奇点,人们最终广泛接受了这个观念,一开始不情不愿,到后来则顺理成章。说服他们的不是权威、不是信仰、不是团体共识,而是数学推导。

霍金在《时间简史》中对人们的这一段观念变化过程写得极其精彩。行文交代得清楚利落,每一个关键的节点都没有放过,但篇幅竟然只用了区区10页。这种极其简洁又精确的文风,让书中绝没有多余的句子,每个句子也都难以再删减一字,但也让《时间简史》这本书的信息密度非常之大,以致虽然每个句子单独看来都并非不能理解,但每句话都要稍费一些思索,长此一句句累加起来,就会让不熟悉相关物理学知识的读者感到疲倦,从而难以卒读。

身体的限制在这里无疑大大影响了霍金的写作方式。毕竟他要为每一个句子花费几乎百倍于常人的时间,不得不削减任何非必要的表述。倘若他能有条件稍微健谈一点,加入少许过渡语句,给读者一点从容思考的时间,能够读完这本书并且感到豁然开朗的读者可能会更多。但身体的限制显然并未影响他的思考。囿于病榻和斗室有时并不是思考的障碍,因为这种情况下没有了分心的条件,更容易保持专注。大文豪普鲁斯特也是常年卧床,在病榻上写下了改变文学史的巨著《追忆似水流年》,他对在病榻上写作的感觉是“于是,我懂得了诺亚曾经只能从方舟上才如此清楚地观察世界”。霍金的感觉大概与他相仿,不同的是,人类确实只能在“方舟”上观察宇宙:我们置身于广阔宇宙中的一个小小星球,和整个宇宙相比,一个地球和一把轮椅并没有什么本质的区别。从这个角度来说,霍金是幸运的,他的全部工作都可以只在头脑中完成,跟置身何地毫无关系。

西敏寺教堂中的牛顿墓。

他接下来继续研究黑洞,与彭罗斯讨论得出了如今被广泛接受的黑洞和黑洞事件视界的定义。当然还有霍金本人评价为“可能是我毕生最令人吃惊的发现”——“霍金辐射”,这是史上第一个同时基于广义相对论和量子力学所做出的预言。在此之前,包括霍金在内的物理学家们在黑洞身上发现了许多与热力学定律相似的“定律”。比如在一个稳态黑洞的视界表面,引力处处相等,这与热力学第零定律(热平衡定律)相似。黑洞的静止能、转动动能和电势能之间存在相互转换的关系,这与热力学第一定律(能量守恒和转化定律)相似。霍金本人发现黑洞视界面积永不减小,这又与热力学第二定律(熵增定律)相似。因为这些相似性,人们很自然地把对应的物理量做类比,认为黑洞的表面引力就相当于温度,表面积相当于熵,于是黑洞就类似于一个热力学系统。这是物理学家寻找自然规律的常用方式,但这一次似乎遇到了当头一盆冷水:假如黑洞是一个热力学系统,那么它理应具有向外的辐射,而在当时的认识中,黑洞是只进不出的!

这岂止是一个研究上的挫折,还直接动摇了物理学家的方法论,因而让大家都非常沮丧。所以当后来“霍金辐射”被证明,黑洞果真存在向外辐射的时候,给大家带来的惊喜,也就可想而知了。

接下来的80年代,霍金把注意力转向思考宇宙的开端。“从大爆炸到黑洞”之后,他的研究方向从黑洞再返回大爆炸。他提出了“时空无边界”假说,试图消灭他本人当年提出的时空奇性,把大爆炸奇点归结为时空中的普通一点。为此,霍金引入了“虚时间”(这大概是整本《时间简史》里打击读者的最后关卡)。就像虚数轴垂直于实数轴一样,虚时间的方向与实时间方向垂直。霍金在这里耍了一个数学花招,虚时间并没有物理意义,它就像博尔赫斯那篇名作《交叉小径的花园》中的交叉小径一样,要把每一条小径的经历加起来才能得出真实的事件,也就是费曼所说的“对历史积分”。由于在四维时空中,空间的三个方向也与实时间垂直,那么虚时间的行为就和空间维度类似,这相当于把四维时空“降维”,于是实时间上的奇点变成了虚时间上的一个普通点,它和其他点唯一的不同就是所有维度在此汇集,就跟地球上的所有经线在南北两极汇集一样。由此,物理定律在这里生效,而物理学家对宇宙开端的研究也有机会成为可能。

爱因斯坦曾经问道,“在建造宇宙时,上帝有多少选择呢?”霍金对此的隔空回答是:如果无边界假设是正确的,在选取初始条件上,它就根本没有自由。它只有选择宇宙要服从的定律的自由。他本人也与他所研究的宇宙一样,没有选择身体“初始条件”的自由,只有选择研究对象和研究工具的自由。他的官方网站上对自己的定位是“时空旅者”,虽然身体被困在轮椅上,思考却穿透时空。如今,他离这个身体而去,留下等身著作、若干部传记电影和一部传奇。在《时间简史》的最后,作为附录,霍金写下了对历史上Top 3物理学家的随笔,他们是爱因斯坦、伽利略和牛顿。巧合的是,他在伽利略去世的那一天出生,在爱因斯坦生日这一天去世,而最后安葬在牛顿身边。

文|刘 茜

THE END

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