封面人物 | 霍金 成为普罗米修斯

稿源:南方人物周刊 | 作者: 本刊记者 郑莹 日期: 2018-03-21

“我们有限的思维何以理解无限的宇宙?甚至仅仅有这种企图是否就已经过于自信?我们是否冒着普罗米修斯命运的风险?在经典神话中,他为人类盗取火种,因为愚勇而受惩罚。他被锁链缚在岩石上,让鹰啄食他的肝脏”——霍金《果壳中的宇宙》

宇宙学家,太空旅行者,英雄——个人网站上的简介是霍金盛名之下一生的写照。2018年3月14日,物理学家霍金在英国剑桥家中辞世,享年76岁。

大半生在轮椅上度过,他受疾病所缚但未坐以待毙,证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,提出黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型,为结合20世纪物理学两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学找到前所未有的可能性。他还曾乘潜水艇下海,乘气球和零重力飞行器上天,向“维珍银河”预订了太空飞行。

他总能找到一种方式来交流,不管是含糊的话语、手指控制电脑还是抖动面颊指挥一束红外线,最后用上了眼球追踪和脑电波识别技术。他借助机器发出的声音抑扬顿挫,常向公众风趣地解释科学并给出机智又神秘的回答。

自爱因斯坦之后,似乎没有哪位科学家像他一般引人注目,像个人间英雄。在2014年的自传《我的简史》中,霍金说这部分是因为“切合残疾人天才的定型”,他还惯常地打趣:我不能用假发和墨镜来伪装自己——轮椅暴露了我的身份。曾共事的英国天文学家马丁·里斯的猜想是,“一个被囚禁的心灵在宇宙中漫游,这个概念引人想象。如果他在基因学上获得同等成就,世界可能不会因他以智慧征服困境得到心灵的共振。”

他的故事被人单调、反复地讲述——凭借勇敢克服身体残疾而成为科学的巨人。而他自己在自传中总结:“我的一生是充实而满足的。我相信残疾人应专注于障碍不能阻止他们做的事,而不必对他们不能做的事徒然懊丧。在我的情形下,我尽力做我要做的大多数事……活着并从事理论物理研究,使我拥有一个美妙的生涯。如果说我曾经为理解宇宙添砖加瓦的话,我会因此而感到快乐。”

 

“莫扎特交响曲”

如果理解了宇宙如何运行,在某种程度上你就控制了它。探究宇宙的动因与少年时代建造飞机和轮船模型、发明一系列复杂游戏相似,都为了解复杂的系统如何运行及控制。物理学和天文学让人理解人从何而来、为何在此,霍金的母亲曾形容:我能看到星星使他痴迷。

中学同学给霍金起过“爱因斯坦”的绰号,似乎在他并不显眼的成绩之外看到了些好征兆。他习惯长时间地讨论和辩论,话题从无线电控制模型到宗教、从灵学到物理学。他和朋友谈论过宇宙的起源——宇宙是否需要上帝去创生并使它运行。

他听说过宇宙正在膨胀的假定——来自遥远星系的光会发生红移意味着它们在远离地球——但他不信,“也许光线传播到我们的路途中累了,变得更红”,一个静态的宇宙似乎更自然和永续。

这个认知将在读博两年后被推翻。霍金在伦敦及圣奥尔本斯度过童年时代,于牛津大学完成物理学士学位后进入剑桥大学研究宇宙学。父亲研究热带病,极为勤奋,鼓励霍金在科学上的兴趣,日后他从事科学研究是极为自然的。

他还常不无骄傲地提起一种隐秘的关联:1942年1月8日他生于英国牛津,那天正是伽利略逝世300周年忌日。他又转折,“然而,估计当日出生的约有20万个婴儿,不知道他们之中是否还有其他人后来对天文学感兴趣。”

要么不费吹灰之力就非常卓越,要么接受自己能力有限,努力这一品质在1950年代末期的大学校园里不被赞许。大多数年轻人对生活厌倦、幻灭,除了财富没什么可追求的。霍金计算过,在牛津上学的三年间大约平均每天只用功一小时。

在最后一年里霍金变得笨拙,摔下几个台阶后看医生,医生只说“别喝啤酒”。到剑桥大学后情况更糟糕,一年冬天去湖上滑冰,他跌倒后爬不起来。那位做出诊断后束手无策的医生抱歉地对霍金母亲说,“才华横溢的年轻人即将陨落。”

霍金回到学校继续研究但很难专心,“我觉得有点悲剧人物的味道”,霍金在自传中说,“我出院不久,就做了一个将被处死的梦。我忽然意识到,如果我被缓刑的话,还有很多我能做而值得做的事情。另外一场我做了很多次的梦是,我要牺牲自己的生命去救别人。毕竟,如果我反正都要死,不妨做一些好事。”

此后的一切被他视作命运的“额外奖赏”,患病而面临死亡时似乎生命才是值得度过的。被诊断为肌萎缩性脊髓侧索硬化症(也称渐冻人症)后与简·王尔德的订婚成了某种生活的动力,他头一回开始用功。“像塞缪尔·约翰逊所说,如果你就要上绞刑架,精神便会最集中。”在1992年的纪录片《时间简史》中霍金母亲说。

双手的运动能力丧失后,他成为活跃的轮椅运动者。他的出现常常引发惊慌,人们会盯着看他如何开着电动轮椅飞快地行驶在剑桥的街道上。60岁时他还因此摔断了腿。他的生存是个医学奇迹,很多患同种病的患者在确诊后两三年内死亡。生前他提供了自己的DNA以供科学家们找出他获得“特殊保护”的原因。

前妻简在回忆录《飞向无限》中描述霍金常在晚上和周末花费几小时陷入沉思,脑袋歪靠在右手上,仿佛去往另一个时空。他没完没了地听瓦格纳的歌剧,开到最大音量。他还有一个看上去痛苦万分的思索姿势——将头放在大腿上。因身体障碍,霍金挑选只需在头脑中运算就能处理的研究项目。在一次学术会议上,一位科学家看着他说出一黑板由空间、时间转换而来的推导公式,惊叹于他“能在脑海中创作一整部莫扎特的交响曲”。

 “即使把我关在一个果壳里,我也会把自己当作一个拥有无限空间的君王的。”《哈姆雷特》中的一句话被霍金引用在所著《果壳中的宇宙》一书中,“哈姆雷特也许是想说,虽然人类的身体受到许多限制,但是我们的精神却能自由地探索整个宇宙,甚至勇敢地闯入连‘星际航行’都畏缩不前之处——噩梦不再纠缠的话……我们有限的思维何以理解无限的宇宙?甚至仅仅有这种企图是否就已经过于自信?我们是否冒着普罗米修斯命运的风险?在经典神话中,他为人类盗取火种,因为愚勇而受惩罚。他被锁链缚在岩石上,让鹰啄食他的肝脏。”

 

无中生有

关于宇宙是否有起始及如何起始的争论贯穿历史,基本存在两种派别。根据早期的宇宙学以及犹太教、基督教及伊斯兰教的传统说法,宇宙从过去一个并不太久的有限时间开始。而亚里士多德和多数希腊哲学家相信,宇宙已经存在了并将永远存在,不朽的东西比必须被创生的东西更完美。双方都认为,宇宙恒定不变。

爱德温·哈勃1929年关于宇宙膨胀的发现改变了宇宙起源的讨论,宇宙膨胀暗示着一种可能性——宇宙起源于过去的某个时间点。直至1962年霍金入学时,稳态理论(认为宇宙一直存在)和大爆炸理论(认为宇宙起源于一次大爆炸,当时的宇宙无限小而紧密)尚未分出胜负。

稳态理论认为,随着宇宙膨胀,暗物质被连续创生以使密度在平均上不变。此理论在1965年遭致命打击,宇宙微波背景辐射被发现。但是否一定有一个大爆炸来开启时间的进程?同年,罗杰·彭罗斯证明濒临死亡的恒星会在其自身重力的作用下坍缩,一旦收缩到一定半径,会不可避免地存在奇点。奇点有无穷大密度而没有体积,广义相对论理论在这里不适用。

霍金得到启发,将此用于宇宙膨胀中,证明存在一个大爆炸奇点。在接下来的五年中,霍金与罗杰·彭罗斯等人发展了广义相对论中的因果结构理论,部分结果成为霍金与乔治·埃里斯合著的《时空的大尺度结构》的基础。

整个1970年代,霍金主要研究黑洞。对宇宙的起源和结局的兴趣在几年后参加梵蒂冈的一次宇宙学会议时被重新唤醒。会议结束后被教皇接见时,霍金被告知,研究大爆炸之后的宇宙演化完全可以,但不应当探寻大爆炸本身,因为那是创世之时,是上帝的工作。

他不知道霍金刚刚演讲的内容正是宇宙有限而无边界的可能性,这意味着宇宙没有起始,没有所谓的创世。霍金想起几个世纪前的伽利略事件,无意同命运,但霍金对伽利略有强烈的认同感,部分因为他出生于伽利略逝世300年后这一巧合。那时他还不知道如何用“无边界”概念对宇宙作出预言。次年夏日,他与同事詹姆斯·哈妥一起得出宇宙无边界条件。

在他们的设想中,宇宙的边界条件是,它是闭合的、没有边界的。宇宙的开端正如地球南极,纬度起着虚时间的作用。这样的设想将时间变成空间中的一个方向,回避了“时间具有开端”这样一个科学和哲学的困难,也意味着宇宙会从无中自发创生——从几乎完全光滑、但具有微小的偏离开始,随着宇宙膨胀,这些偏离增长并导致星系、恒星等宇宙中包括生物在内的所有结构的形成。

这个在虚时间中的历史是细小的略微平坦的球面,酷似哈姆雷特的果壳,然而这个果壳把实时间中发生的一切都作为密码贮存在它上面。从这种设想来看,哈姆雷特说的没错。

在2011年出版的《大设计》一书中,霍金试图理解生命、万物和宇宙的存在。他声称由于存在像引力定律这样的法则,宇宙能够以无中生有的方式把自己创生出来,这可以解释宇宙为什么存在,人类为什么存在,“不必祈求上帝点燃导火索使宇宙运行”。

 

上帝掷骰子

在孙子的生日派对上,一个小孩走到霍金面前问他,如果我掉进了黑洞,会发生什么?“你会变成意大利面。”孩子们听后都很兴奋。

 

罗杰·彭罗斯

 

1783年英国天文学家约翰·米歇尔论断可以存在比太阳更大质量的恒星,其逃逸速度超过光速,任何发出的光都被恒星引力拖曳回去,所以它们无法被看见。“黑洞”这个1969年由约翰·惠勒灵光一闪想到的词似乎很形象,每个人都接受了它。

通用的定义是,质量巨大的恒星坍缩时重力变得如此之强以至于连光都不再能逸出,依任何物质都无法逃离的边界划定一个范围,它的内部就是黑洞,边界是事件视界。在黑洞中心有一个密度趋近于无限的奇点。不妨这么看待事件视界,霍金认为这如同地狱入口,“汝等进入此地,须弃绝一切所望。”

马丁·里斯与霍金一同工作时常在办公室帮他翻开一本难解的量子论书,马丁回忆,霍金常持续几个小时一动不动地坐在那儿。不久后霍金便提出让他声名鹊起的“霍金辐射”,并想过将相关公式刻于墓碑上。

残疾使躺下睡觉这个过程变得缓慢,霍金有足够的时间可以用来思考。1970年11月的一个夜晚,入睡前他想起黑洞,突然之间意识到黑洞视界面积不减少的性质给予黑洞的可能行为以重要限制。过后他认为黑洞必定有熵——它用以测量一个体系的无序程度——且值为视界面积的四分之一。这是一个有去无回的临界点,黑洞的引力会大到使它无法逃脱。

将量子力学用于黑洞后,霍金在1973年证明了黑洞会辐射粒子,即“霍金辐射”。黑洞这种终极监狱并非完全不可逃逸,黑洞并不完全是黑的。

通俗地说,如果一个宇航员落入黑洞,黑洞的质量将增加,但增加的能量将以辐射的形式归还宇宙,因此宇航员被“再循环”。然而这是一种可怜的永生形式,因为当这个被压成意大利面条的人最终被撕碎时,个体的时间概念会走到尽头,辐射出的粒子类型一般也会与他自身所构成的不同。这个场景也许让未来的星系旅行家们失望。

在一次会议上霍金说出此结论,人群骚动,有人大声说,“肯定错了,你的理论我一句话都不信。”因此结论而引出的黑洞信息丢失问题目前仍备受争议——如果没有物质掉进黑洞,通过辐射损失的能量将导致黑洞质量减少并最终蒸发。2016年,霍金还与人合作研究,提出黑洞“软毛”的概念,试图对此作出解释。

因量子力学具有随机与不确定性因素,广义相对论创建者爱因斯坦从未接受它,他说上帝不玩骰子。黑洞中的量子效应让霍金明白,“上帝不仅玩骰子,他有时还把骰子扔到无法观测的地方”。

 

“闪光的奖赏”

那时,人们对于黑洞和研究黑洞的物理学者有浓厚的兴趣,时常可以在报纸杂志和电视媒体看到霍金的身影。为了轮椅行走方便,剑桥大学特意为他在校内修了一段斜坡。霍金在学术界也声名鹊起,1979年秋,他被授予卢卡斯数学教授席位,那个教席牛顿和狄拉克都拥有过。

同时期的中国紧闭的国门刚刚打开,此前关于黑洞的研究已渗透进来。物理学家方励之曾撰文回忆:

70年代末,国门一开,首先想到的就是邀请一流的黑洞物理学者来科大讲学……1981年就动手邀请霍金,但碰了钉子。历时四年,才达到目的。主要是由于英国驻北京使馆不同意。他们的理由很简单:合肥是个小地方,交通不便,不适合重残疾人霍金访问……我们知道霍金本人很想来华。他说,只要能保证他在合肥存活(survive),他就会来。

除广义相对论和宇宙学领域的人外,霍金当时并不为人熟知,《时间简史》正在撰写中。几经周折,1985年霍金首次访华演讲,听者仅三四百,偏居合肥的中国科技大学是唯一的邀请单位。“霍金辐射”的发现是促使科大邀请霍金的主要原因,黑洞是科大天体物理小组在1970年代的研究课题之一。

霍金做了两个报告,分别是黑洞形成的理论和为什么时间总是向前。关于后者,方励之写:

在当年公众演讲中,霍金鼓吹的模型是,时间并不能总是向前。就如在地球上走,“向南!”“向南!”不准后退,可以。但到了南极,再往任何方向走,都是“向北 ”了,“后退”了。在一个人的寿命期间,时间总是“向南!”“向南!”。但一当整个宇宙演化到了南极,再走就只有“向北”了。所以,“返老还童”对个人是不可能的 。但对整个宇宙而言,“向南”是有终结,要转向的。

讲到此,霍金为他的模型得意地笑了。当时的口译者,也一时兴起,长话短译,即兴地加了一句,霍金的模型,差不多就是“法轮回转”吧(“西游记”,唐三藏曰:“见佛求经,使我们法轮回转”)。

 等到2002年霍金受邀再次来中国,他见中国从满街自行车变为交通堵塞。在浙江大学体育馆演讲,他以“我们可能生活在一个更大空间的膜或者面上”为开场白,聊膜的新奇世界。四年后他第三次来中国,在人民大会堂做了演讲。有听众请霍金描述自己。“乐观、浪漫,但有时候顽固不化,”他说。

首次访华后霍金在去瑞士的途中患肺炎,病情严重,最终实施了气管切开手术,说话能力全部丧失。人们为他安装了一个计算机系统和高质量的语言合成器,他借助此工具写《时间简史》,一分钟六个字。

次年去芝加哥参加会议,简在回忆录中写:“与五年前截然不同,他像阿拉伯酋长被一群人簇拥着——护士、医生、助理,有时还有同事。航空公司也将他视为贵宾给予协助。在现代医疗和全天候护理之下,霍金基本可以带着自己的小型医院去任何地方。护士会一些急救技巧,霍金能控制用药——他比任何医生都更了解自己的状况。”

《时间简史》出版一个月后,霍金前往以色列接受奖项,他和彭罗斯被授予沃尔夫奖。他总被问对于上帝的存在有何解释,在宇宙中有无上帝的位置。或者更直接地被问,你信上帝吗?犹太议员们联合抵制,声称霍金的理论与犹太教信条对立,犹太教认为在上帝创造宇宙前既不存在时间,也不存在物体。

他在离开以色列前去了死海,那儿没那么嘈杂,“借着死海的浮力,霍金躺在了海面上,在温暖的海水里漂浮着……唯一能见证的只有远处约旦境内的紫色群山、蓝天和一只孤独的鹰。”简在书中写。

然而没多久,书的畅销让他在全世界闻名,雄心壮志与随之而来的成功不断扩张,各所学校与科研单位相继颁予他奖项及名誉学位。羸弱的身体与驰骋的思想形成强烈反差,为新闻写作、影视作品创作提供了灵感,记者、摄像师蜂拥而至。

媒体描写他形影不离的护士、邋遢的助手和办公室里玛丽莲·梦露的照片。他成为科学明星,在多部影视作品中扮演自己,还有几部改编自他人生故事的电影。版税滚滚涌来,霍金不再需要慈善机构的赞助即可维持舒适的家庭生活。

当霍金满载名誉与注视时,妻子简告诉记者,“我不打算使自己甘心再经受在这所房子内所经历过的盛衰——从黑洞的深处到那些闪光的奖赏。”这篇报道被取名为“一个激动人心的家庭所取得的辉煌”。

她还告诉另一个记者,她的作用不再是照看病人,而是“告诉他他不是上帝”。《霍金传》的作者迈克尔·怀特对此评价:可以看出她的一些根深蒂固的怨恨和忧愁。1995年春,霍金与简离婚。

 

“不必自外于伟大智慧与哲学问题”

《时间简史》自1988年出版后被译成四十多种文字,发行量达2500多万册。英国历史学家西蒙·詹金斯评论:“我断定霍金得益于‘名人智慧效应’,买一本书要比仅仅读一篇该书的评论文章显得更为高尚,但不必去读它。在咖啡桌上或牌桌旁放一本书好像是知识分子的一种象征,正如将一个多余的古驰商标缝在手提包上或将鳄鱼商标缝在T恤衫上一样。”

霍金自己承认,克服残疾而成为理论物理学家的故事为书的销售推波助澜。出版社以坐在轮椅上的个人照作为封面图片的举动备受谴责,有人说这是在利用疾病。也有善意者将此书与《禅与摩托维修艺术》相提并论,霍金接受了这“相当大的恭维”,他希望此书让人“不必自外于伟大智慧与哲学问题”。

萌生写科普书的念头是在1982年,当时他生活拮据,为给女儿攒学费,也为解释人们已经在何等程度上理解了宇宙,他希望写出在机场书店就能买到的那类书。他选择面向大众市场的出版商,听从编辑建议修改初稿使人易懂,全书只放入一个公式——有人告诉他,每个公式都会使销量减半。即便如此,此书对于普通大众而言仍然艰深。

在《时间简史》中,有两种概念是霍金特别提及的,一是“历史求和”,即宇宙并非只有一个历史,而是有每种可能的历史集合,所有这些历史都是同等实在的。另一个是“虚时间”,可被认为是时间在和通常所言的实时间成直角的一个方向。在虚时间中的历史可以是闭合的曲面,正如地球的表面,既无开端,也无终结。

最后他说,发现宇宙万有理论意味着所有的人,哲学家、科学家和每一个普通人都能参与为什么我们和宇宙存在这一问题的讨论。如果能找到答案,那将是人类理性的最终胜利。

找到一个万有理论似乎是科学家的某种共同心结,在此之前有过两次虚假的黎明。19世纪初曾认为一切事物都可以用连续介质的性质来解释,例如弹性和热传导。原子结构和不确定原理的发现给了这种想法一个干脆的结束。发现狄拉克方程后不久,马克斯·玻恩预测物理学将在6个月内完结。中子和核力的发现再次使希望落空。

在发表卢卡斯数学教授就职演说时,霍金就曾乐观而又不乏谨慎地预言,在不久的将来,人类会拥有一套完备、协调的统一理论,能描述所有可能的观测。几年后他继续谈论这一可能:“宇宙由秩序所制约,我们现在能部分地,而且在不太远的将来能完全理解这种秩序。也许这种希望只不过是海市蜃楼:也许根本就没有万有理论,而且即便有我们也找不到。但是努力寻求完整的理解总比对人类精神的绝望要好得多。”等到《大设计》一书中,他的设想发展成“M理论是万有理论的唯一候选者”。

到了21世纪初,霍金最终宣布对万有理论的探索是徒劳无功的。他从奥地利逻辑学家哥德尔的著作中受到启发,认为时间、空间和宇宙中最神秘的问题不可能用一个简单的、优美的数学方程式来解释。探索中有真理、谬误,更有无数暂时的假设。

去年霍金还在呼唤人类逃离地球,在另一个星球上建立家园,留下来将面临灭绝的危险,可能被小行星撞击,或者遭遇新病毒、气候变化、核战争或人工智能的反击。他将宇宙视为“新大陆”,对一个像哥伦布发现美洲大陆的“宇宙大发现”时代有无限热情。他认为在接下来的一百年里,人类将踏上最伟大的冒险之旅,命运在群星之中。他大呼,“太空,我们来了。”

人类与宇宙的智力搏斗似乎仍漫长而光荣。

(主要参考资料:《时间的简明历史——从大爆炸到黑洞》、《果壳中的宇宙》、《大设计》、《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》、《我的简史》、《飞向无限》、《斯蒂芬·霍金传》,纪录片《时间简史》、《探索新地球》等。感谢实习记者林芯芯的帮助。)

 

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南方人物周刊 2018 第1期 总第549期
出版时间:2018年04月19日
 
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