哲人思绪 宇宙结构只是一个数学模型

哲人思绪  宇宙结构只是一个数学模型

物理学家史蒂芬・霍金教授在布鲁塞尔
　　　　　　　　　　　　　　

５月１９日，我在布鲁塞尔遇见物理学家史蒂芬・霍金教授，很高兴与他交谈并且合影 留念。第二天星期日，他与诺贝尔化学哈罗德克罗托为２０００人作了报告。

一般档案资料与霍金几本专记书籍介绍说，霍金１９４２年１月８日出生于英国牛津，在伦敦 附近的几个小镇度过了自己的童年。他们的邻居回忆说，当霍金还是个婴儿时就非常引 人注目，他的头很大，异于常人。霍金的父亲是一位从事热带病研究的医学家，母亲则 从事过许多职业。

霍金热衷于搞清楚一切事情的来龙去脉，当他看到一件新奇的东西时总喜欢把它拆开， 把每个零件的结构都弄个明白不过他往往很难再把它装回原样，因为他的手脚远不如头 脑那样灵活，写的字也很潦草。从童年时代起，运动从来就不是霍金的长项，几乎所有 的球类活动他都不行。

霍金在１７岁时进入牛津大学学习物理，当时，他并不是一个用功的学生。到牛津的第三 年，霍金发现自己变得更笨拙了，有一两回没有任何原因地跌倒甚至昏迷。１９６３年，刚 过完２１岁生日的霍金被确诊患上了“卢伽雷氏症”，即运动神经细胞萎缩症。大夫对他 说，他的身体会越来越不听使唤，只有心脏、肺和大脑还能运转，到最后，心和肺也会 失效。霍金被“宣判”只剩两年的生命。

起初，这种病恶化得相当迅速。霍金几乎放弃了一切学习和研究，一心等死。这时候， 简・瓦尔德出现了，霍金开始很抗拒这段感情，但爱情的力量却无法抗拒。１９６３年 ７月１４日，相识仅仅一年的简和霍金结了婚。简在自己的回忆录《音乐移动群星》中写 道：“我非常爱他，任何东西都不能阻止我和他结婚，我愿意为他做饭、洗衣、购物和 收拾家务，放弃我自己以前的远大志向。”他们有三个孩子，第一个儿子罗伯特出生于 １９６７年，女儿露西出生于１９７０年，而第二个儿子提莫西出生于１９７９年。可以说，与简的 订婚完全改变了霍金的命运。为了养活妻儿，他需要一份工作，为了得到工作，就需要 一个博士学位。因此，他开始了一生中的第一次用功。令他十分惊讶的是，他发现自己 很快成为了顶尖的物理学家。爱情有了圆满的结局。但霍金的病情渐渐加重。１９７０年， 在学术上声誉日隆的霍金不得不坐进轮椅。直到今天，他再也没离开它。

１９８５年，霍金动了一次穿气管手术，从此完全失去了说话的能力。他就是在这样的情况 下，极其艰难地写出了著名的《时间简史》，探索着宇宙的起源。霍金取得了巨大成功 ，但他和简的婚姻走到了尽头。 １９９０年霍金与结婚２５年的妻子简・怀尔德离婚，１９９５年霍金与他的护士伊莱恩 ・梅森结婚。之后一段时间里，曾传出霍金遭妻子虐待毒打的传闻，但霍金替妻 子辩护说：“因为她，我才能活到现在。” １９７０年，２８岁的霍金和彭罗斯合作，证明了“奇点定理”：在一定条件下，按照广义相 对论，宇宙大爆炸必然从一个“奇点”开始。为此，他们共同获得１９８８年的沃尔夫物理 奖。

霍金的贡献对黑洞性质的研究和提出量子引力论论重要程度虽赶不上牛顿的万有引力定 律和爱因斯坦的两个相对论，但是足以为他在科学名人堂中留下一席之地。尤其是他的 量子引力论，整合了现代物理学的两大领域，自成体系，使他能与创立分子生物学（生 物学与量子力学的成功结合）的科学家平起平坐。

在霍金之前，所有的宇宙理论都以广义相对论为基础，但是只有霍金发现并证明了广义 相对论只是一个不完全的理论，它不能告诉我们宇宙起源的细节。因为根据广义相对论 得出的结论，所有的物理理论（包括它自己在内）都将在宇宙的开端处失效。显然，广 义相对论只是一个不完全的“部分”理论，所以奇点定理真正所显示的是，在极早期宇 宙中有过一个时刻，那时宇宙是如此之小，以至于人们不得不考虑用２０世纪另一个伟大 的“部分”理论――专门描述微观世界的量子力学――来研究它。霍金和他的搭档被迫 从对极其巨大范围的理论研究转到对极其微小范围的理论研究。

恰好有这样一种可能存在的微型天体可作为研究对象。正如霍金后来回忆的：“研究黑 洞的性质，有助于我们同时理解大爆炸奇点，因为他们之间实在是太相似了。”于是他 开始潜心研究黑洞问题。

１９７３年首部著作《空时的大型结构》出版。１９７４年宣布发现黑洞辐射，霍金成为英国皇 家学会最年轻的会员。１９７８年获世界理论物理研究的最高奖爱因斯坦奖。１９７９年《广义 相对论评述：纪念爱因斯坦百年诞辰》出版。１９８１年无边界构想《超时空和超引力》出 版。１９８５年实行气管造口手术失去语言能力，使用带语音合成器的计算机。１９８８年《时 间简史：从大爆炸到黑洞》出版，获沃尔夫基金奖，此书目前在全世界的销量已经高达 ２５００万册。１９９３年《黑洞与婴儿宇宙及其他论文》出版。

霍金现在通过眼球指令计算机合成器发声说话。霍金罹患肌肉萎缩症，既不能说话，又 不能做手势，现在只能通过眨眼和眼光的移动同外界交流。霍金要说一句话，就要逐字 逐句输入计算机，再由语音合成器将文字化成声音，一分钟只能处理３５个字。霍金的助 手解释说，在霍金的眼镜上，约距右颊一英寸，安装了负责侦测肌肉活动的红外线发射 器及侦测器，譬如他想打招呼，说声“你好”，他先以眼球控制红外线感应器，选定在 屏幕上轮流出现的英文字母，当计算机出现他想要的“Ｈ”时，霍金再动眼球，这样计 算机就会不断显示以“Ｈ”为字头的英文字，当“ＨＥＬＬＯ”出现时，他又动一下以选定这 个字，当他造句完毕后，才把句子传至合成器发声。

最近霍金尝到四分钟的欢乐失重船上的失重状态。据国外媒体报道，４月２６日，英国著 名物理学家史蒂芬・霍金在大西洋上空的飞机中体验失重飞行，并安全返回地 面。这次零重力体验为他的太空冒险计划走出了关键的一步，也使他成为首位体验失重 飞行的残疾人。霍金感到满意八个序列３０秒的失重状态，每个人，也就是说４分钟总数。 飞机上升到１００００米高空，４５°角，然后将再度下跌为２.５００米。两个阶段之间，乘客在浮法 约三十秒脱离约束的失重。霍金认为，“人类没有前途，如果不能够去空间”，并建立殖民地 。“地球上的生命受到威胁，越来越多的破坏，这样的灾害气候加热，核战争中，一种新的病 毒基因创造了人类的其他危险”。

霍金的研究对象是宇宙，但他对观测天文从不感兴趣。霍金的方法是靠直觉。在１９７０ 年１１月的一个夜晚，霍金在慢慢爬上床时开始思考黑洞的问题。他突然意识到，黑洞应 该是有温度的，这样它就会释放辐射。也就是说，黑洞其实并不那么黑。经过三年的思 考，１９７３年１１月，霍金正式向世界宣布，黑洞不断地辐射出Ｘ光、伽马射线等，这就是 有名的“霍金辐射”。而在此之前，人们认为黑洞只吞不吐。从宇宙大爆炸的奇点到黑 洞辐射机制，霍金对量子宇宙论的发展作出了杰出的贡献。霍金获得１９８８年的沃尔夫物 理奖。但２００４年７月２１日，在爱尔兰首都都柏林举行的“第十七届国际广义相对论和万 有引力”大会上，霍金向来自世界各地齐聚一堂的科学家和记者宣告，推翻自己若干年 前建立的著名黑洞理论，并重新讨论了信息守恒的问题。史蒂芬・霍金的讲话在 整个物理界掀起了轩然大波。它意味着，黑洞不再可能帮我们通向其它的宇宙，或者通 向我们宇宙的其他角落―――这是霍金以前提出来的说法。

霍金三次到中国。１９８５年霍金来北京的时候，《时间简史》还没有出版，霍金也远不像 今天这么著名。当时他分别在中国科技大学、北京师范大学演讲。２００２年，霍金再次来 到北京参加国际数学家大会，引起轰动。他的《时间简史》此时已出版。这部人类历史 上最成功的科普书，销量达到２５００万册。北京国际会议中心的会场爆满，拥有一张霍金 公开讲座的门票成了那几天许多北京人谈论的话题。２００６年，霍金应好友、著名数学家 丘成桐教授之邀，到北京参加２００６年国际弦理论大会。霍金第三次来到北京。他带来的 仍然是自己关于宇宙学最新的研究《宇宙的起源》。霍金称自己喜欢中国文化、美食， 还有漂亮的中国女性。而去西藏，是他可能永远无法实现的童年梦想。

今年６月，报刊杂志纷纷介绍美国凯斯西储大学的物理学家劳伦斯・克劳斯发表在 新一期出版的《物理评论Ｄ》上的文章指出黑洞是不可能存在的，和他同事构建了一个复 杂的数学公式，能够证明黑洞并不存在。他表示，公式的关键在于引入了爱因斯坦提出 的时间延缓效应。

克劳斯教授举例说，爱因斯坦在广义相对论中描述，飞向黑洞的宇宙飞船中的乘客会感 觉到飞船在加速，而在黑洞外部的观测者看来，飞船的速度却在变慢，而当飞船到达某 一点时，这个速度可以慢到观测者认为飞船似乎会永远停在那里，但永远不会被湮没而 消失。克劳斯教授介绍，没有人真正见过黑洞。科学家会认为宇宙中遍布着黑洞，可能 是由能够产生巨大引力的特大质量恒星遗骸引起的类似效果。

美国宇航局戈达德空间飞行中心的天文学家金伯利・维尔评论说，人们对黑洞和 宇宙的认识不会如此之快。尽管她十分欣赏凯斯西储大学科研小组所描述的结论，但问 题是人类目前的观测还没有找到任何能够支持这一观点的事实证据。维尔说，天文学家 确实在银河系中央的超大黑洞附近观测到星际物质毫无踪迹地消失。不过，迄今为止， 没有人真正探测到“霍金辐射”，找到黑洞蒸发的证据。如果黑洞真的不存在，那么， 关于宇宙的起源的理论就将被改写。

美国国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷研究员用通俗的语言给 记者解释了克劳斯教授的论点，就克劳斯教授举的飞船的例子，当飞船还没有进入到视 界这个点的位置时，就直接蒸发了，既然不进入视界，也就无所谓形成黑洞了。陈学雷 研究员介绍，黑洞可能存在的最初说法是在１７８４年由一名英国地质学家提出，后经２０世 纪最伟大的科学家爱因斯坦加以核实，但也仅停留在数学解释上。一直到上世纪６０年代 ，美国科学家韦勒提出“黑洞”理论，他称根据爱因斯坦的理论证明：太空中有一些质 量很大的天体，由于内部存在强大的引力，天长日久就自行塌缩成一种新的、体积很小 但密度极大的天体。任何物质，包括光线，只要在它的旁边，就会被吸引进去而消失。 逐渐的，韦勒的说法被物理学界所普遍接受。１９７４年，英国著名天体物理学家霍金提出 “霍金辐射”理论，至此，黑洞存在成为物理学界的主流观点。如果根据克劳斯教授的 新理论，黑洞不存在，那么霍金的著名辐射理论也将不复存在，这将是对近几十年来世 界天文物理学理论的颠覆！

参考资料：

⒈（人民网资料）１９４２年１月８日著名物理学家史蒂芬・霍金诞辰 ⒉稿源：新浪科技霍金完成零重力飞行体验 ⒊史蒂芬・霍金生平介绍＿幸福一刻 ⒋人物资料：史蒂芬－霍金 ⒌时间简史续编－史蒂芬・霍金 ⒍《史蒂芬霍金果壳中的宇宙》 ⒎轮椅上的传奇科学家－－－－史蒂芬・霍金