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“我到过银河系最远处,黑洞还有时间的奇点”

“我到过银河系最远处,黑洞还有时间的奇点”

本文来自微信公众号:原理(ID: principia1687)。头图来自:东方IC


3月14日,注定不是一个平凡的日子。在这一天,数学家会花式庆祝圆周率日(圆周率π=3.1415927......),物理学家庆祝爱因斯坦的诞辰(今年是爱因斯坦140岁生日)。而今年的这一天,我们又多了一件要做的事——缅怀霍金。在昨天的文章中,我们探讨了爱因斯坦场方程和π之间的联系。今天,我们依照英文的26个字母顺序选择了26个“关键词”,以回忆那些与霍金有关的故事。



哈姆雷特说:“我有可能被束缚在果壳之中,但把自己视为无限空间之王。”我认为他的意思是说,虽然我们人类在身体上非常受限,特别是我这样的情况,但我们的思想可以自由探索整个宇宙,并勇敢地去甚至连《星际迷航》都不敢造访之处。


——霍金


A



在过完21岁生日后的未几,霍金就被诊断出患有ALS(肌萎缩性脊髓侧索硬化症)。这种运动神经元疾病随同了霍金一生。他的肌肉逐渐无力,一点一点地失去行动、说话、吞咽,最终呼吸的能力。一开始,他的病情发展得很快,他甚至不确定自己是否能完成博士学业。但是在这种极端恶劣的身体状况下,霍金却奇迹般的坚持了55年。


B



1960年代初,宇宙起源于一个炙热和致密的开端的想法还停留在科学预测。但到了1964年,宇宙微波背景(CMB)辐射的发现为大爆炸理论提供了强有力的观测证据。当时,在剑桥大学的霍金开始思考宇宙是否始于一个初始奇点。他与罗杰·彭罗斯合作,最终得出了著名的奇点定理:根据广义相对论,初始奇点不仅是可能的,而且是不可防止的。到了20世纪70年代初,大爆炸理论已经被完全接受。


C



霍金与中国有着不解之缘,他一共到访过中国三次。1985年,霍金第一次来到中国,前往中国科学技术大学,发表了题为“时间为什么总是向前”的演讲。从中科大离开之后,霍金前往北京,登上了长城。2002年,霍金受著名数学家丘成桐的邀请到中国做公众演讲,首站就是位于杭州的浙江大学,并在活动结束后游览了西湖,感受中国文化。2006年,霍金第三次来到中国,他先在香港和北京做了关于宇宙起源的演讲,随后在北京游览了天坛和颐和园。2016年,霍金开通微博,他的第一条博文提到了他的第一次中国之旅,最后一条博文更新于2017年11月24日,他说自己“看到了中国千禧一代年轻人对未来的思考和好奇心”,并鼓励年轻人应该讲这种好奇心和自信延续下去。


D



1962年10月,当20岁的霍金刚来到剑桥大学的数学和理论物理系时,他原本想要师从著名的天文学家弗雷德·霍伊尔。可是霍伊尔已经有足够多的学生了,所以他被分配给了夏马,这让他非常失望。但后来他又为此感到庆幸,因为霍伊尔经常不在系里,但夏马却总是在,而且可以随时和他讨论。另外,霍伊尔是稳恒态模型的支持者,他反对大爆炸理论。如果霍金与他合作,或许他的研究生涯就始于如何守卫这个错误的理论了。


E



霍金对黑洞的研究最终使他推导出了黑洞熵公式。这个公式包含了牛顿的万有引力常数(G)、约化普朗克常数(ħ)、光速(c)、以及玻尔兹曼常数(κ)。这意味着霍金的工作把量子理论、广义相对论和热力学全部联系在了一起。这一关系或许是找到万有理论的关键。


F



霍金敢于追问大问题。除了科学领域之外,他对未来也提出过许多的问题。霍金曾提出了一个问题:“在一个政治、社会和环境都处于混乱的世界里,人类如何才能再维持100年?”他询问我们是否能在地球上幸免于难?是否应该去殖民太空?是否会被人工智能超出?我们要如何塑造未来……这些问题都留给了我们,当我们在未来的某个时刻获得这些问题的突破时,或许也应感恩于我们站在了霍金的肩膀上。


G



霍金是个名副其实的“科学赌徒”,他的胜率非常稳定——在所有公开的科学赌局中,胜率为零。经常参加霍金赌局的就有著名的理论物理学家基普·索恩。有一次,他们赌的是裸奇点是否存在,霍金认为这不可能存在,但在1997年,当有理论证明可以存在裸奇点时,霍金认输了。还有一次赌局始于1997年,参加者还是他和索恩,不外这次他们二人站在了同一边,联手与物理学家普雷斯基对赌,赌黑洞会摧毁侵吞噬一切信息。2004年,霍金在一场演讲表示输掉了这场赌局。胜率堪忧的霍金还和粒子物理学家对赌过,他认为我们无法探测到希格斯粒子。后来的故事我们都知道,2012年,粒子物理学家在大型强子对撞机中发现了希格斯粒子。


H



1974年,霍金的发现震惊了整个物理学界。他证明了黑洞是具有温度的,而具有温度的物体就会发生辐射。这是他最著名的科学造诣:霍金辐射。根据量子场论,所谓的真空并不是完全空的,而是充满了量子涨落——虚粒子对会一直的冒出又湮灭。当这种情形发生在黑洞的事件视界附近时,虚粒子对中的其中一个会被黑洞捕获,另一个则会逃逸。逃逸的粒子便发生了霍金辐射。现在,这一理论已被广泛接受,它标记的是物理学的一个重大突破。


I



霍金辐射的发现也带来了一个严重的悖论:落入黑洞的信息会丢失吗?


试想一下,如果有一本携带着信息的书掉进黑洞,信息似乎会随着黑洞的蒸发而完全丢失。如果是这样,它就违反了量子力学的核心原理。难道信息不会随着霍金辐射一起出来吗?问题就在于黑洞内的信息是不能跑出来的,因此唯一的可能就是霍金辐射里复制了书中的信息。但这样就有两份信息,一份在黑洞外,一份在黑洞里面,那么这样又违反了量子理论。


黑洞信息悖论的诞生使我们面临着一个尖锐的矛盾:要么对量子力学进行修正,允许信息丢失;要么修正广义相对论,允许信息从黑洞内部逃逸出来。几十年来,霍金一直致力于解决这个问题,但依旧没有一个完美的解决方案。


J



在剑桥大学求学的时候,霍金在一次聚会上遇到了他的第一任妻子——简·王尔德。她在霍金刚被确诊患有ALS时,坚定地陪伴在他的身边,重燃了他活下去的希望。1965年7月,他与简结婚,婚后育有三个孩子。简负责了生活中的一切琐事,她悉心照顾年幼的孩子和日渐衰弱的霍金。他们的婚姻维持了30年,于1995年离婚,之后二人各自再婚。电影《万物理论》就描绘了霍金的这段恋情故事。


K



1994年,英国摇滚乐队Pink Floyd创作了一首名为《Keep Talking》的歌曲,歌中有一段霍金的电子声音,声音样本取自霍金在英国电信的一个电视广告。乐队主唱David Gilmour在看到这则广告后哭了,他说这是他一生当中看过的最有影响力的电视广告。歌曲的开头是霍金的声音:“数百万年来,人类像其他动物一样活着。后来,一些事情发生了,让我们的想象力得到了释放——我们学会了交谈。”歌曲以霍金的声音结尾,歌词是:“事情本不必如此,我们需要做的一切,就是确保我们继续交谈。”


L



霍金职业生涯的大部分时间都是在剑桥大学的应用数学及理论物理学系(DAMPT)度过的。1962年,他以博士生身份来到剑桥,1979年晋升为卢卡斯数学教授。此前曾担任该职位的科学家还有艾萨克·牛顿、查尔斯·巴贝奇、保罗·狄拉克等人。2009年,他从该职位退休。他的同事戴维斯教授评价道:“霍金是20世纪最伟大的科学家之一,也是牛顿和爱因斯坦在引力物理学领域的自然继承者。”


M



霍金认为,若想要更深层地理解宇宙,我们需要一直地问为什么。宇宙为什么会存在?我们为什么存在?为什么只有这一套定律而没有其他的……他相信M-理论是所有这些问题的答案,认为它具有终极理论所应该具有的所有性质。M理论结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论,它预言,有许多从无到有被创造出来的宇宙,这些多重宇宙可以自然地因物理定律而发生。每一个宇宙在后期都有许多可能的历史和可能的状态。这些状态中的大多数都将与我们所观察到的宇宙大不相同,而且也不适合任何已知生命形式的存在。


N



1970年代初,霍金研究了黑洞的“无毛定理”,该定理指出,黑洞可以用三个数字来表征——它们的质量、角动量和电荷。“毛发”就是所有其他的有关于形成黑洞或坠入黑洞的物质的信息,这些信息都会消失在黑洞的事件视界之后,因此外部观察者永远无法获得。物理学家约翰·惠勒用“黑洞无毛”来形容这个想法。


O



霍金在科学传播上作出了巨大贡献。他认为科学是一件可以被所有人理解的事,而不仅仅属于专业从事科学工作的人。他身体力行地履行着他对科学的这一态度:他开展公开的科学演讲,撰写科普书籍,总是尽力而为的推广和传播科学知识。他与他人合著过大量科学作品,包含《时空的大尺度结构》《超空间与超重力》《非常早期的宇宙》,以及《300年的万有引力》等。正是这些科普书籍使霍金走出了学术界,成为家喻户晓的科学家。出版于1988年的《时间简史》是他的第一本科普书籍,在《星期日泰晤士报》的畅销书排行榜上以创纪录的237周蝉联榜首。后来的畅销书包含《黑洞、婴儿宇宙及其他》《果壳中的宇宙》《我的简史》等。他还与女儿露西合作,为孩子们写了一系列关于一个名叫乔治的人物在太空中探险的科学书籍。


P



霍金曾说“哲学已死”,一石激起千层浪。他认为哲学家们“没有跟上科学的现代发展”,而科学家在寻求知识的过程中,已经成为探索与发现的火炬传递者。他认为,哲学问题可以用科学来回答,特别是用新的科学理论来解答,并相信这些理论能引导我们对宇宙和我们在宇宙中的位置有一个全新的、截然不同的认识。


Q



量子引力是霍金的一个重要研究领域。若想要理解黑洞和宇宙学,发展量子引力理论是必须的。量子引力试图把广义相对论与量子力学的思想统一起来,这是一项尚未完成的浩大工程。从1973年开始,霍金开始了这方面的研究,他对黑洞的研究为这一探索开启了新的篇章,他随后的大部分造诣也都集中在这些想法上。


R



霍金是一位无神论者,他相信宇宙是由科学规律所主宰的。他认为科学与宗教具有实质的区别,前者建立在观察与理性之上,而后者建立在权威之上。霍金曾说:“我们每个人都可以自由地相信自己想要的相信的,对我来说最简单的解释就是没有上帝。没有人创造宇宙,也没有人决定我们的命运。这使我深刻地认识到,天堂很可能不存在,来世亦是如此。我们只有这一次生命来欣赏宏伟的宇宙,对此,我非常感激。”


S



2016年,霍金和他的团队提出,黑洞可能有由光子或引力子组成的“软毛”,这些软毛至少能存储部分信息。这些软毛环绕在黑洞事件视界的周围。在他的最后一篇论文中,霍金和他的同事发现了一种能计算软毛所能携带的信息量的机制,它与刻在霍金墓碑上的那个描述了霍金辐射的温度公式相符。


T



1973年,霍金与巴丁、卡特一同写了一篇题为《黑洞热力学定律》的论文,将黑洞的研究总结为一系列与热力学定律类似的定律。他们强调,黑洞的温度为零,因为任何东西都无法逃离黑洞,辐射也如此,所以黑洞也就不可能有物理熵。在他们看来,将黑洞的力学定律与热力学定律做类比是一种很有条理的形式。例如面积定理的形式就与热力学第二定律非常相似:热力学第二定律说的是,系统的总熵永远不会减小;而面积定理说的是,无论黑洞发生什么,其事件视界的面积都永远不会变小。


之后,雅各布·贝肯斯坦意识到,黑洞的熵必须正比于面积才能挽救热力学第二定律。霍金并不喜欢这个想法,于是开始着手计算,但他的结果却证明了贝肯斯坦是对的,并且写下了黑洞熵公式。


U



宇宙从何而来,又将往何处去?宇宙是无限大的,还是仅仅非常大?宇宙有一个开端吗?如果有的话,在开端之前发生了什么?这些永恒的大问题是霍金一直在思考的。1983年霍金和詹姆斯·哈特尔提出了一个具有影响力的想法——无边界设想,无边界设想描述了大爆炸发生时的情况,也就是爱因斯坦的相对论失效的地方。因此,它给我们提供了一种理解宇宙是如何形成的方式。为了描述大爆炸的物理条件,无边界理论结合了广义相对论和量子理论。它说的是,当我们回到宇宙的起点时,空间和时间会变得模糊,有点像地球名义的北极。因此,根据无边界理论,询问大爆炸之前发生了什么是毫无意义的,因为那里没有可用的时间概念。这就像问北极在哪里一样。


V



在霍金逐渐失去声音之后,最初他通过耸眉来选择卡片上的字母。1986年,他收到了一个被称为“均衡器”的计算机程序,只需按下开关,就可以从词库中选择要用的短语、单词或字母。一开始,霍金曾打趣这是个只能发出美式口音的程序,但当后来有其他的声音版本出现时,他却选择保存了最初的声音,他说他喜欢也认同这个声音版本。当霍金的手还可以动时,每分钟可以大约“说”出15个单词。再后来,霍金的双手逐渐失去了功能。到了2005年,他开始用脸颊肌肉的运动来控制通讯设备,一个单词就需要耗费一分钟的时间。英特尔公司的研究人员开发了一种能将他的大脑模式或面部表情转化为激活开关的系统。系统中有大量论文和书面资料的输入,并且还使用了一些单词预测软件,这让霍金很快便适应了新的系统。


W



霍金于2018年3月14日去世,享年76岁。他的骨灰被埋葬在威斯敏斯特大教堂的中殿,距离牛顿和达尔文的墓不远。一块青色板岩的墓碑上刻有他的生卒年份,还画有一系列椭圆环绕而成的黑洞模型。除此之外,上面还写着霍金辐射的温度公式,它表白的是黑洞并不完全黑,而是会放出一种被称为霍金辐射的光辉。在墓碑上用英文刻写着“Here Lies What Was Mortal Of Stephen Hawking”,意为“斯蒂芬·霍金的肉体埋葬于此”。


X



天鹅座X-1是一个X射线源。1974年,人们已基本供认黑洞这一物理事实,只是还未能作出实际的天文观测。天鹅座X-1就是一个重点怀疑对象,而霍金对此却持怀疑态度。他与好友索恩打赌,若自己输了,就帮对方订阅一整年的成人杂志《阁楼》,这一举动引得外界纷纷关注。直到90年代,科学家证实了天鹅座X-1就是黑洞一事。霍金欣然接受赌输的结果,并兑现了当初设下的赌注。如今,天文学家主要通过X-射线和引力波来寻找宇宙中的黑洞。


Y



霍金曾说过:“事实上,人类自身就是自然中的基本粒子。对支配万物的自然定律和宇宙能有如此接近的理解,无疑是我们的一场胜利。我想分享我对这一追求的兴奋与热情。请记得仰望星空,不要只低头看脚下。试着理解你所看到的东西,思考宇宙之所以存在的原因。请坚持一颗好奇心,无论生活如何艰难,你总会找到自己的路和属于你的胜利。重要的是你不能放弃。”


Z



2006年,霍金曾表白他最想做却又无法实现的愿望之一就是去太空旅行。得知这一消息之后,维珍航空的理查德·布兰森提出了一次维珍银河的免费飞往太空之旅,霍金立即欣然接受。在这趟飞越大西洋的飞行中,霍金体验了25秒的零重力状态,这至少让他与自己飞向太空的愿望稍稍近了一点。而这次零重力体验,让患有运动神经元疾病的霍金得以不受瘫痪的身体的限制,自由漂浮。


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