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《卫报》悼念霍金:他为人类理解宇宙做出了革命性贡献

作者:罗杰·彭罗斯 发布时间:

《卫报》悼念霍金:他为人类理解宇宙做出了革命性贡献

作者:罗杰·彭罗斯 发布时间:

摘要:霍金将被永远铭记。

编者按:斯蒂芬·霍金逝世,享年76岁,《卫报》发表了一篇悼念文章,作者为霍金的学术合作伙伴罗杰·彭罗斯。

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斯蒂芬·霍金逝世,享年76岁。

他总是坐在轮椅上,脑袋歪向一侧,双手交叉放在身前,以便操作控制器。这个形象早已深入人心,甚至成为了某种精神胜于物质的象征。就像古希腊的德尔菲神域一样,他身体上的残疾似乎被超人的天赋所弥补,他的思想得以在宇宙中自由翱翔,时不时地透露普通人无法看到的秘密。

当然,这是一个被美化了的充满浪漫主义色彩的形象,它只是事实的一部分。认识霍金的人都欣赏他作为一个真实的人的那股霸气的存在,他对生活充满热情,富有幽默,无比坚毅,有凡人的弱点,同时也有着异于常人的优点。他似乎很享受自己作为“头号明星科学家”的殊荣,他的公开演讲总能吸引大批观众,这些人或许并不都是为了接受科学的熏陶。

但科学界或许会给予他更加清醒的评价。他德高望重,对人类理解并认识宇宙做出了革命性的贡献。

霍金在21岁时被诊断患有运动神经元肌萎缩侧索硬化症,也就是俗称的渐冻症。这是一种无法治愈的绝症,但他不是像其他人一样陷入绝望与沮丧,他将目光投向一些人类最根本的问题——宇宙的物理性质,在有严重身体残疾的情况下取得了非凡的成就。他无视已有的医学观点,又活了55年。

霍金成长在一个有学术氛围的家庭中,虽然这种学术背景并不是直接与数学或物理相关。他的父亲弗兰克是热带疾病专家,他的母亲伊莎贝尔是一个思想自由的激进分子,这对他产生了很大的影响。他出生在牛津,8岁时搬到了赫特福德市的圣奥尔本斯,在圣奥尔本斯接受教育,并获得了牛津大学的物理奖学金。他的导师认为他能力超群,但他并没有尽全力做。他在1962年获得了一等学位,但对他来说这并不突出。

后来,他去剑桥大学继续从事物理研究,打算跟随著名的宇宙学家弗雷德·霍伊尔的脚步。让他失望的是这个计划无法实现,他不能跟随霍伊尔,只能跟着丹尼斯·西玛,那个时候他还没听过这个名字。后来的事实证明这多么奇妙,因为在英国宇宙学中,丹尼斯·西玛正成为一个引人注目、令人振奋的人物,他的几个学生也在接下来的几年里作出了不菲的成就(包括天文学家勒德洛)。

丹尼斯·西玛似乎知道当时物理学上的一切,特别是在宇宙学方面,他向所有遇到他的人传达了一种激昂的情绪,他也非常善于将那些可能做出重大成就的人聚集在一起。

霍金在剑桥进行研究的第二年,我在伦敦的伯克贝克学院建立了一个关于相关性的数学定理,运用当时物理学家们还不熟悉的全球/拓扑技术。这显示,在一些可信的假设的基础上,大量恒星崩溃会导致时空奇点,这为我们初步描绘出了现在称之为“黑洞”的图景。这样的时空奇点将深藏在“视界”之内,在这个“视界”内,任何信号或物质体都无法逃脱。(这是由J·罗伯特·奥本海默和哈特兰德·斯奈德在1939年提出的,但只有在特殊的情况下,才有精确的球形对称。这个新定理的目的是为了避免这种不现实的对称假设。)在这个中心奇点,爱因斯坦的广义相对论已经无法适用。

与此同时,霍金也一直在与剑桥大学圣约翰学院博士生乔治·艾利斯一起思考这类问题,这两个人一直在研究一种需要不合理限制性假设的“奇点定理”, 丹尼斯·西玛强调应该把霍金和我的定理联系在一起,很快霍金就找到了一种意想不到的方法来使用我的定理,这样它就可以在宇宙学背景下(以时间-反式形式)应用,以表明所谓的“大爆炸”的时空奇点不仅是标准高度对称的宇宙学模型的一个特征,而且也是任何定性相似但不对称的模型的特征。

在我初期的理论中,有些假设在宇宙背景下相较于真实的黑洞坍塌似乎有些不太自然。为了推广数学结果以消除这些假设,霍金开始了一项新的数学技术的研究,这些新技术似乎与这个问题有关。

一个强大的数学著作——莫尔斯理论,是活跃在黎曼空间的全球(拓扑)研究中活跃的数学家的一部分。然而,爱因斯坦理论中使用的空间实际上是伪黎曼型的,相关的莫尔斯理论在细微但重要的方面有所不同。霍金为自己创造了必要的理论(由查尔斯·米斯纳,罗伯特·杰勒希和布兰登·卡特提供帮助),能够使用它来产生新的更强大的自然定理, 其中我的定理的假设可能会大大减弱,表明大爆炸奇点是一个对爱因斯坦广义相对论的必要暗示。

几年后,(1970年,霍金在皇家学会发表了一篇论文,成为剑桥冈维尔和凯厄斯学院的“杰出的科学研究员“),他和我联合发表了一个更强大的定理,其中包含了几乎所有以前在这个领域的工作。

1967年,维尔纳以色列发表了一篇非凡的论文,这篇论文表明非旋转黑洞最终稳定下来静止时,必然会完全呈球形对称。卡特,大卫罗宾逊和其他人的后续结果将其推广到包括旋转黑洞,这意味着最终的时空几何必须与1963年由罗伊克尔发现的爱因斯坦方程的显示解族一致。其中起到充分论证的关键因素是,如果存在任何旋转,那么必须有完整的轴对称,这部分基本上由霍金在1972年提供。

这是一个非常重大的结论,我们希望在自然界中发现的黑洞必须符合克尔几何。正如伟大的理论物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subramanyan Chandrasekhar)后来评论说,黑洞是宇宙中最完美的宏观物体,它是由空间和时间构成的;此外,它们也是最简单的,因为它们可以通过一个明确的几何精确描述。

在这个领域从事研究之后,霍金建立了许多关于黑洞的重要结果,例如关于黑洞视界(它的边界表面)的论证,必须有一个球体的拓扑结构。在1973年出版的作品中,他与卡特和詹姆斯巴丁合作,在黑洞的行为和热力学的基本定律之间建立了一些显著的类比,其中地平线的表面积及其表面重力分别与熵和温度的热力学量相似。可以说,在他活跃的时期,霍金在古典广义相对论中的研究是当时世界上最好的。

霍金,巴丁和卡特将他们的“热力学”黑洞行为仅仅作为一个比喻,没有字面上的物理内容。 大约一年左右,雅各布贝肯斯坦已经表明,物理一致性的要求意味着,在量子力学的背景下,黑洞确实必须具有实际的物理熵(“熵”是物理学家对“无序”程度的测量),与地平线的表面面积成正比,但他无法精确地确定比例因子。然而,另一方面,似乎黑洞的物理温度必须完全为零,这一点则与此类推并不一致,因为没有任何形式的能量可以逃脱,所以霍金和他的同事们不准备把他们的类比完全当真。

然后霍金把注意力转向与黑洞有关的量子效应,他开始计算,以确定在大爆炸中可能产生的微小旋转黑洞是否会辐射出它们的旋转能量。他吃惊地发现,任何旋转都会辐射出能量——根据爱因斯坦的能量守恒定律,这就是它们的质量。因此,任何黑洞实际上都有一个非零的温度,这与巴德-卡特-霍金类比恰好一致。此外,霍金能够为比肯斯坦无法确定的熵比例常数提供“1/4”的精确值。

霍金所预言的黑洞的辐射,现在被称为“霍金辐射。然而,对于任何在正常的天体物理过程中出现的黑洞来说,霍金辐射都是极小的,而且任何已知的技术都无法直接观测到。但霍金认为大爆炸可能会产生非常小的黑洞,而从这些黑洞中发出的霍金辐射将形成最终的爆炸,并可能被观测到。然而目前为止似乎没有证据表明此类爆炸的发生,这让他非常失望。

这些成就有很重大的理论意义。他们建立了黑洞热力学理论:通过将量子(场)理论和广义相对论的过程相结合,霍金认为很有必要引入第三个学科——热力学。这些被认为是霍金最伟大的贡献。他们对未来的基础物理学理论有着深远的影响,这是不可否认的,但是关于这些影响的细节仍然存在非常激烈的争论。

霍金能够从这一切中得出结论,尽管没有被粒子物理学家普遍接受:普通物质的基本成分——质子——最终必须瓦解,尽管其衰变速率超出了目前的观测技术。他还怀疑量子力学的规则可能需要修改,并提供了一些理由,而这正是他最初所支持的观点。但后来,在我看来很不幸,他的观点变了,2004年7月的都柏林国际会议上,他公开否定了最初预测的黑洞内的“信息丢失”的观点(因此开始了他与加州理工学院的物理学家John Preskill的打赌)

在研究完黑洞之后,霍金将注意力转向了量子引力,为解决一些基本问题提出了独创性的想法。量子引力,将粒子物理学的量子过程正确地施加到时空的结构上,被认为是物理学中未解决的基础性问题。它的目标之一是找到一个足够强大的物理理论来解释经典广义相对论在黑洞和大爆炸中的时空奇异性。

到目前为止,霍金的工作虽然涉及到爱因斯坦广义相对论中弯曲时空的量子力学过程,但并没有提供量子引力理论。这就要求“量子化”过程被应用于爱因斯坦的弯曲时空本身,而不仅仅是弯曲时空中的物理场。

在詹姆斯·哈特尔的研究中,霍金建构了一种量子程序来处理大爆炸的奇点。这被称为“无边界”思想,即奇点被一个平滑的“帽子”所取代,这被像在地球北极,在北极,经度的概念失去了意义,而北极本身有一个非常好的几何形状。

为了理解这个想法,霍金需要用他的“假想时间”(或“欧化时间”)的概念来解释爱因斯坦时空中“伪黎曼几何”的几何形状,并将其转化为更标准的黎曼几何。这里面存在很多困难,其中之一就是,如何将类似的程序应用到黑洞内部的奇异点上,这在根本上是有问题的。

在世界范围内,还有很多其他研究量子引力的方法,霍金的研究虽然受到了广泛的尊重和认可,但并不是最普遍接受的,尽管其他研究也都面临着一些属于他们的挑战。

在他生命的最后,霍金继续研究量子引力问题和宇宙学相关的问题。但在推进严格的研究兴趣同时,他也越来越多地参与到科学的普及中,尤其是涉及到他自己思想的方面。他最成功的著作《时间简史》(1988)被翻译成40多种语言,全球销量超过2500万册。

毫无疑问,这本书的标题是其获得成功的重要因素,但也在于这本书的主题激发了公众的想象力。此外,还有霍金本人的因素在其中,在身体残疾带来严苛限制的同时,他必须要用一种直接了当和清晰的风格来传递自己的想法,很显然,这很容易引发公众的情感。

尽管霍金的目的是为了向公众科普科学的知识,但他也有赚钱的考虑。他需要钱,因为他的家人、护士、医护人员和日益昂贵的设备需求越来越高。虽然有些补助金,但很难覆盖住所有的资金需求。

想要邀请霍金参加一个会议,组织者需要进行严密的计算与安排,也要付出大量的旅行和住宿费用,因为陪同他的人实在是太多了。但是,每一场他出席的演讲,座次都会被人抢购一空,所以在很多情况下,需要进行特殊的安排才能找到一个足够大的演讲厅。毕竟要确保演讲厅所有的入口、楼梯、电梯等都能满足残疾人的需要,尤其是他的轮椅。

显然,他很享受自己的名声,他有很多旅行的机会,也有一些不同寻常的经历(比如下矿井,去南极旅行,经历了自由落体的失重状态),还结识了很多其他杰出的人。

随着时间的推移,霍金公开演讲的表现也越来越好。最初,演讲时提供的视觉材料不过是由学生展示的透明的线条图。但在随后的几年,计算机生成的视觉效果被使用后,演讲效果越来越好。能够由他本人控制口头的材料,并通过电脑生成的美国口音,来把他想说的话一句一句地传递出来。高质量的图片和电脑生成的图形在1996年版的《时间简史》和2001年出版的《果壳中的宇宙》中得到了呈现。在2007年,他还和他的女儿露西一起出版了一本关于儿童科普的书《乔治的宇宙秘密钥匙》(George's Secret Key to the Universe)。之后一直担任着许多其他流行科学著作的编辑、合著者和评论员。

他获得了许多荣誉。最值得一提的是,他在32岁的时候就被选为英国皇家学会的成员,并在2006年获得了最高荣誉——科普利奖章(Copley Medal)。1979年,在艾萨克·牛顿成为剑桥大学卢卡斯自然哲学的第2任主席约310年后,他成为了第17任主席。并在1989年获得了荣誉勋爵(Companion of Honour)封号。此外,他也出现在了许多电视与电影节目中,比如《星际迷航:下一代》、《辛普森一家》以及《万物理论》。

很明显,他亏欠其第一人妻子简·王尔德(Jane Wilde)太多太多。他们两人在1965年结婚,有三个孩子。简在很多方面都非常支持他,其中最重要的一个可能是允许他在不同寻常的范围内做自己想做的事情。

他是一个意志非常坚定的人。他坚持认为自己应该为他自己做些什么,这反过来可能使他的肌肉保持活跃,从而延缓了它们的萎缩,从而延缓了疾病的恶化。尽管如此,他的病情依旧在继续恶化,到最后他几乎不能做任何动作,从而导致他的讲话基本上不会被人辨认出来,除了极少数能够了解他的人。

1985年,他在瑞士患上了肺炎,需要做气管切开术来挽救他的生命。奇怪的是,在与死亡擦肩而过之后,他神经退行性疾病的恶化似乎慢慢停止了。然而,他的气管切开手术也让他再也不能发出任何的声音。所以,从那个时候开始,一个计算机化的语音合成器是必不可少的。

在他遭遇肺炎后,霍金的家几乎被护士和医务人员接管,他和简就分开了。他们于1995年离婚。同年,霍金和他的护士伊莱恩·梅森(Elaine Mason)结婚。她给霍金的支持与简不同。在他极其虚弱的身体状态中, 她给予他的爱、关怀和关注, 使他在所有的活动中都能够坚持下去。 然而,这段关系后来也结束了,他和伊莱恩于2007年离婚。

尽管身体条件如此糟糕,他却总是对生活保持乐观。他很享受工作,喜欢跟其他科学家相处,热爱艺术,享受名誉带来的好处,喜欢四处旅行。他还很喜欢孩子,有时候会在自己的电动轮椅上跟他们嬉戏。他很关心社会问题,经常推广科学知识。他慷慨大度,还总是很幽默。有时会有一些自大,对于处在物理学前沿领域的科学家来说,这并不少见。他甚至还有独裁倾向,但也非常谦卑,这是一项真正伟大的品质。

霍金桃李满天下,有的学生后来也成就斐然。但当他的学生并不容易。他曾经因为生气而用轮椅压过学生的脚面。他的每一项声明都掷地有声,但身体上的残疾却往往导致这些声明因为简洁而显得十分神秘。了解他的同事或许能够知道背后的意图,但经验不够的学生却很难领悟。

对这些学生来说,与霍金会面是一段令人生畏的体验。霍金可能会让学生追求某些模糊的路径,背后的原因也非常神秘。他不会明说,而学生只能收到类似神谕的指令。这些指令的真实性自然毋庸置疑,而且如果能够正确解读和研究,也能够带领他们通向伟大的真相。他留给我们的,或许也就只有这些印象了。

霍金将被永远铭记。

(本文由36氪编译)

原文链接:https://www.theguardian.com/science/2018/mar/14/stephen-hawking-obituary

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