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每天了解一个人——史蒂芬·霍金,生命不息,希望不止

史蒂芬·威廉·霍金,1942年1月8日—2018年3月14日,英国剑桥大学著名物理学家,现代最伟大的物理学家之一、20世纪享有国际盛誉的伟人之一。

身残志坚——不管你的境遇如何,你只能全力以赴

我注意过,即便是那些声称一切都是命中注定的而且我们无力改变的人,在过马路之前都会左右看。——史蒂芬·霍金

1942年1月8日,这是霍金出生的日子,十分巧合的是,这一天恰好是伟大的物理学家伽利略逝世300周年的纪念日。他的父母都毕业于世界顶级学府——牛津大学,父亲是热带病专家,母亲侧重于研究哲学、政治和经济。童年时霍金非常喜欢设计一些极为复杂的玩具,据说他曾经用一些废弃用品做出了一台电脑。所有的这一切,都预示着霍金将有一个不凡的人生。17岁时,霍金便以优异的成绩考入牛津大学,从小就对自然充满着好奇的他,选择了攻读自然科学。他很喜欢热闹,善于交际,相对于图书馆,校园舞会和私人派对或许更有吸引力。霍金的机智、幽默和超高的智商,很快就成为一颗颗耀眼的明星,大家都称他为“小爱因斯坦”。

霍金在牛津大学读书的最后一年,他发现自己动作越来越笨拙,时常不知缘由地摔跤。有一次,他还从楼梯上摔下来,头先着地,造成暂时的记忆力轻微丧失。1962年,霍金以第一名的成绩毕业,紧接着转到剑桥攻读博士学位,毕业之后选择留校任教。也就是在剑桥工作的这段时间,状况更加恶化,他的讲话有些含糊不清。父母已经明显发现他有些不对劲,医生诊断其患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症,他的神经和肌肉会一直萎缩,直到心脏停止跳动,最多也就还能活三年。飞逝的时间对于他来说,就是生命的倒计时。1963年,他在新年派对上认识了美丽善良的简·怀尔德,她被霍金的风趣幽默与独立性格所吸引,这使霍金重新对生活燃起了希望。

1985年,当霍金拜访欧洲核子研究组织时,感染了严重的肺炎,方案是气管切开术,这手术可以帮助他呼吸,代价是以后就再也不能发声。后来情况越来越严重,也只有三根手指和两只眼睛可以活动。起初,使用“拼写板”用目光拼出字母来交流,后来则使用单个按键的鼠标操作电脑打字,打字后通过语音合成器读出文本。为了让“按键”可以实现“打字”的效果,霍金电脑屏幕上的字母按字母表逐行闪现,用按键确认后。2005年,由于病情逐渐恶化,后来已无法用手按键,团队在他眼镜上安装了红外探测器,用以识别他脸颊一块肌肉的运动,运动一次代表原来的按键一次。

有一次,在学术报告结束之际,一位年轻的女记者捷足跃上讲坛,面对这位已在轮椅上生活了三十余年的科学巨匠,深深景仰之余,又不无悲悯地问:“霍金先生,疾病已将你永远固定在轮椅上,你不认为命运让你失去太多了吗?”这个问题显然有些突兀和尖锐,报告厅内顿时鸦雀无声,一片静谧。霍金的脸庞却依然充满恬静的微笑,他用还能活动的手指,艰难地叩击键盘。随着合成器发出的标准伦敦音,宽大的投影屏上缓慢然而醒目地显示出如下一段文字:“我的手指还能活动,我的大脑还能思考,我有终身追求的理想,有我爱和爱我的亲人和朋友,对了我还有一颗感恩的心。”

霍金辐射——统一物理学三大理论,为何没有获得诺贝尔

我的目标很简单,就是把宇宙整个明白——它为何如此,它为何存在。——史蒂芬·霍金

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料,这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。如果中子星的总质量超过三倍太阳的质量,科学家猜想,就会再次引发坍缩,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积很小、密度很大的奇点,奇点质量无限大,时空无限弯曲,巨大的引力就使得光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——以“奇点”为中心的“黑洞”诞生了,黑洞的边界我们称之为“事件视界”,视界内部无法观察。

2019年4月10日21时,人类首张黑洞照片面世,该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。从理论上来说,只要将一个物体压缩到它的”史瓦西半径”之内,就能够形成一个黑洞。史瓦西半径是任何具有质量的物质都存在的一个临界半径特征值。1916年卡尔·史瓦西首次发现了史瓦西半径的存在。如果想要把太阳压缩成黑洞,它的史瓦西半径约为3千米,如果想要把地球压缩成黑洞,它的史瓦西半径约为9毫米。

1973年,霍金在考察黑洞附近的量子效应的时候,发现黑洞会像天体一样发出辐射。当空间趋向绝对真空时,会凭空产生虚粒子对,两个粒子对撞会消失,这样既不会违反量子力学,也不会违反物质守恒。霍金猜想,如果虚粒子对在黑洞附近形成,由于黑洞的引力场很强,导致配对诞生的正反粒子被扯开,有可能有一个吸入视界,而另一个逃离。逃离的粒子会吸收黑洞的质量,并以热辐射的形式散发出来,在外界看就像黑洞发射粒子一样。这种辐射被命名为“霍金辐射”。黑洞的质量会因此越来越小,直到消失。过程非常缓慢,和太阳质量一样的黑洞需要用大约10年才能蒸发0.0000001%的质量。

在人类物理史上,霍金的科学成就按照道理来说,是绝对不亚于爱因斯坦的。但是为什么霍金并没有获得诺贝尔奖,而爱因斯坦却得到了诺贝尔奖?重要原因就在于诺贝尔奖必须要有实证,而不能只有理论,所以只要黑洞能够找到,或者黑洞里发出的辐射可以被探测到,霍金就会获诺贝尔奖。人类目前所掌握的技术,还不能使我们发现“霍金辐射”的存在。爱因斯坦赢得诺贝尔奖的是光电效应理论,而不是他的相对论。尽管后来的科学家通过模拟声音黑洞,得出了与霍金辐射一致的结果。但是这仍然不是绝对的证据,因为迄今还没有任何人能够观察到发生在真实黑洞中的这种现象。

时光机——时空旅行并不是不可能,但是要具备两个条件

关于时空物理的问题争议,我不敢和我的同事们打赌,因为我怕他们就是透过虫洞跑来的未来人,他们很清楚地明白标准答案。——史蒂芬·霍金

不论是在电影还是小说,经常会提到时光机,可以随意穿梭于任意的时间,这样的时光机真的存在吗?霍金表示,在理论上是可行的,但是需要具备两个条件:虫洞和接近光速的宇宙飞船。关于虫洞,就是我们常说的时空隧道。1916年,由奥地利物理学家路德维希·弗莱姆首次提出这个概念,1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,因此虫洞又称做“爱因斯坦-罗森桥”。理论上,虫洞是连接两个遥远时空的空间隧道,就像是大海里面的漩涡,是无处不在但转瞬即逝的。这些时空漩涡是由星体旋转和引力作用共同造成的。就像漩涡能够让局部水面跟水底离得更近一样,能够让两个相对距离很远的局部空间瞬间离得很近。

霍金强调,“虫洞”就在我们四周,只是小到肉眼无法看见,它们存在于空间与时间的裂缝中。”他指出,宇宙万物非平坦或固体状,贴近观察会发现一切物体均会出现小孔或皱纹,这就是基本的物理法则,而且适用于时间。时间也有细微的裂缝、皱纹及空隙,比分子、原子还细小的空间则被命名为“量子泡沫”,“虫洞”就存在于其中。霍金指出,理论上时光隧道或“虫洞”不只能带着人类前往其他行星,如果虫洞两端位于同一位置,且以时间而非距离间隔,那么宇宙飞船即可飞入,飞出后仍然接近地球,只是进入所谓“遥远的过去”。

如果科学家能够建造速度接近光速的宇宙飞船,那么宇宙飞船必然会因为不能违反光速是最大速限的法则,而导致舱内的时间变慢,就会出现天上一天地上一年的情况,也就相当于飞进未来。霍金举人造卫星为例,指卫星在轨道运行时,由于受地球重力影响较小,卫星上的时间比地上时间稍快。由此,霍金就设想出一艘大型极速宇宙船,可在1秒内加速至时速9.7万公里,6年内加速至光速的99.99%,比史上最快的宇宙船阿波罗10号快2000倍。船上的乘客就是变相飞向未来,作出名副其实的时间旅行。

黑暗森林法则——外星人到底存不存在,真的会消灭我们吗?

当你在凝视深渊时,深渊也在凝视你。——尼采

其实关于宇宙中是否有外星人这个话题,一直都是讨论的热点。其中比较具有代表性的就是费米和霍金,两人持有相反的意见。1950年的一天,诺贝尔奖获得者、物理学家费米在和别人讨论飞碟及外星人的问题时,突然冒出一句:“他们都在哪儿呢?”就是著名的“费米悖论”从理论上讲,人类能用100万年的时间飞往银河系的各个星球,那么,外星人只要比人类早进化100万年,就应该已经来到地球了。换言之,“费米悖论”表明这样的悖论:A.外星人是存在的——科学推论可以证明,外星人的进化要远早于人类,应该已经来到地球并存在某处。B.外星人是不存在的——迄今,人类并未发现任何有关外星人存在的蛛丝马迹。

霍金在美国探索频道的纪录片《跟随斯蒂芬·霍金进入宇宙》中说,外星人存在的可能性很大,但人类不应主动寻找他们,应尽一切努力避免与他们接触,从而避免黑暗森林打击!这也是刘慈欣《三体》中所提到的理论。“黑暗森林法则”认为:宇宙就是一座黑暗森林,每个文明都是带枪的猎人,如果他发现了别的生命,能做的只有一件事:开枪消灭之。在这片森林中,他人就是地狱,就是永恒的威胁,任何暴露自己存在的生命都将很快被消灭。霍金认为,鉴于外星人可能将地球资源洗劫一空然后扬长而去,人类主动寻求与他们接触“有些太冒险”。

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