罗杰·彭罗斯

张建东 译

金壮伟审阅

史蒂芬·霍金在 76 岁去世时，他坐在电动轮椅上的形象——头部微微偏向一侧，双手交叉控制轮椅——引起了公众的关注，成为精神战胜物质的真正象征。就像古希腊德尔斐的神谕一样，他的身体缺陷似乎被他近乎超自然的天赋所弥补，这使他的思想能够自由地漫游宇宙，有时会揭示出凡人无法想象的惊人见解。

2005 年，斯蒂芬·霍金在剑桥大学应用数学与理论物理系的办公室。图片来源：Murdo for The

当然，这种浪漫化的形象只是故事的一部分。了解霍金的人会清楚地看到，他被真实的人性所支配——对生活的热情、敏锐的幽默感和令人难以置信的毅力，但除了他更明显的积极优势外，他也有人类的弱点。他显然很享受被广泛视为“最著名的科学家”；他的公开演讲吸引了众多听众，而这些听众往往不仅仅是为了科学教育。

科学界或许对他更为客观，高度评价他在物理学和宇宙几何理解方面做出的许多令人印象深刻的、有时甚至是革命性的贡献。

科学生涯

霍金 21 岁生日后不久被诊断出患有一种罕见的绝症，一种致命的神经退行性疾病，称为肌萎缩侧索硬化症，也称为 ALS。但他并没有像其他人一样屈服于挫折，而是很快开始将目光转向宇宙物理性质的一些最基本问题。随后，他成功地克服了最严重的身体残疾——他违背了既定的医学观点，设法多活了 55 年。

他出生于一个“学术家庭”，尽管他的父母并不是数学或物理学研究人员。他的父亲弗兰克是热带疾病专家，而他的母亲伊莎贝尔（娘家姓）是一位自由思想活动家，对他影响很大。他出生于牛津，但八岁时搬到了赫特福德郡的圣奥尔本斯。他在圣奥尔本斯学校接受教育，并获得奖学金进入牛津大学学院学习物理。他的导师们认识到他非凡的能力，但根本不把他的工作当回事。虽然他在 1962 年获得了一等学位，但成绩并不特别出色。

随后，他决定前往剑桥大学三一学院继续他的物理学生涯，打算师从著名宇宙学家弗雷德·霍伊尔。但他失望地发现，霍伊尔无法指导他，而该领域的指导老师是丹尼斯·夏马，霍金当时并不认识他。事实上，这个选择是幸运的，因为夏马当时正逐渐成为英国宇宙学领域的杰出人物，并指导了几位未来出色的学生——包括未来的皇家天文学家马丁·里斯爵士。

席安玛几乎知道当时物理学领域发生的所有事情，尤其是宇宙学，他向遇到的每个人都传达了一种极具感染力的兴奋之情。他还擅长将聪明的头脑聚集在一起进行交流。

当霍金在剑桥大学进行研究的第二年时，我在伦敦大学伯贝克学院建立了一个关于相关性的数学定理。这个定理表明，在一些合理的假设下（使用当时大多数物理学家不熟悉的全局/拓扑技术），一颗坍缩的超大质量恒星最终会在时空中形成一个奇点——一个密度和时空曲率都预计会变得无限的地方——给我们描绘出现在被称为“黑洞”的物体的图景。这个时空奇点将位于“事件视界”深处，任何信号或物质都无法从中逃脱。（这种图景早在 1939 年就由 J. [J] 和 [] 提出，但仅限于假设严格球对称的特殊情况。新定理的提出是为了消除这种不真实的对称假设。）在这个中心奇点处，爱因斯坦的经典广义相对论将不再适用。

与此同时，霍金和正在剑桥大学圣约翰学院攻读博士学位的乔治·埃利斯一直在思考这类问题。两人一直在研究一个更严格的“奇点定理”，这个定理需要一个不合理的严格假设。夏玛认为把霍金和我召集在一起讨论是合适的，霍金很快就找到了一个意想不到的方式来运用我的定理。然后它可以（以时间逆转的方式）应用到宇宙学的背景下，表明被称为大爆炸的时空奇点不仅是标准、高度对称的宇宙学模型的特征，也是任何性质相似但不对称的模型的特征。

为了通过数学推广来消除我原始定理中的一些假设，这些假设在宇宙学背景下看起来不像在坍缩为黑洞的背景下那么自然，霍金开始开发与该问题相关的新数学技术。

莫尔斯理论是一项强大的数学工作，也是研究整个（拓扑）黎曼空间的数学家的常用工具之一。然而，爱因斯坦理论中使用的空间实际上是伪黎曼空间，相关的莫尔斯理论有着微妙但重要的不同。霍金发展了他的工作所需的理论——在某种程度上是在查尔斯·迈斯纳、罗伯特·乔治和布兰登·卡特的帮助下——并用它来产生新的、更强大的定理。有了这些新定理，我自己定理中的假设可以大大减弱，表明一般来说，大爆炸奇点是爱因斯坦广义相对论的必然结果。

几年后（那时霍金已成为剑桥大学冈维尔与凯斯学院的“荣誉科学”学者），他和我共同在 1970 年发表于皇家学会的一篇论文中发表了一个更为强大的定理，它推翻了该领域几乎所有先前的研究。

1967 年，沃纳·伊斯雷尔发表了一篇精彩的论文，指出当非旋转黑洞最终稳定下来时，它们必须具有完美的球对称性。卡特、戴维·罗宾逊等人的后续工作将这一结论扩展到旋转黑洞，这意味着由此产生的时空几何必须符合罗伊·克尔于 1963 年发现的爱因斯坦方程的一组精确解。整个论证的关键部分是，如果有旋转，就必须有完美的轴对称性。这部分工作基本上由霍金于 1972 年完成。

关于这一切的一个非常了不起的结论是，我们期望在自然界中发现的黑洞必须符合这种克尔几何。正如伟大的理论天体物理学家 后来所说，黑洞是宇宙中最完美的宏观物体，仅由空间和时间构成；此外，它们也是最简单的，因为它们可以用一种定义明确、已知的几何形状（即克尔几何）精确描述。

霍金在这项工作之后又取得了许多其他有关黑洞的重要成果，例如他证明了事件视界（其边界表面）必须具有球形拓扑结构。在 1973 年与卡特和詹姆斯·巴丁发表的著作中，他建立了黑洞行为与热力学基本定律之间的一些惊人相似性。其中，黑洞事件视界的表面积和表面重力可以分别类比为熵和温度的热力学量。可以说，在他从事这项工作的那段时间里，霍金在经典广义相对论领域做出了世界上最好的工作。

霍金、巴丁和卡特认为黑洞的“热力学”行为只是一种类比，没有实际的物理意义。大约一年前，雅各布·贝肯斯坦已经证明，物理一致性的要求意味着——在量子力学的背景下——黑洞确实必须具有与事件视界面积成比例的实际物理熵（“熵”是物理学家对“无序”的度量），但他无法确定比例因子。然而，另一方面，与这种类比似乎不一致的是，黑洞的物理温度必须恰好为零，因为没有任何形式的能量能够从中逃逸。这就是为什么霍金和他的同事们不准备认真对待他们的类比的原因。

霍金后来将注意力转向与黑洞有关的量子效应。他着手进行计算，以确定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。他惊讶地发现，无论考虑何种旋转，它们都会辐射出能量——根据爱因斯坦的 E = mc^2，这也代表它们的质量损失。因此，任何黑洞实际上都有非零温度，这与巴丁-卡特-霍金的类比完全一致。此外，霍金为熵的比例常数提供了一个精确的值，而贝肯斯坦无法确定这个值：“四分之一”。

霍金所预言的这种黑洞辐射，现在被相当贴切地称为霍金辐射。然而，对于在正常天体物理过程中预计会出现的黑洞而言，霍金辐射非常小，无法用现有的任何技术直接观测到。但他认为，大爆炸本身可能会产生非常小的黑洞，而这些黑洞发出的霍金辐射最终会形成可以观测到的爆炸。现在似乎没有证据表明有这样的爆炸，说明大爆炸并不完全是霍金所希望的那样，这让他大失所望。

这些成果在理论上具有极其重要的意义。它们建立了黑洞热力学理论：通过将量子（场）论与广义相对论的过程相结合，霍金认为有必要引入第三门学科——热力学。它们被普遍认为是霍金最伟大的贡献。不可否认，它们将对未来的基础物理理论产生深远的影响，但这些影响的具体性质仍是一个激烈争论的问题。

霍金本人从这一切中得出的结论（尽管这一结论并未得到粒子物理学家的普遍认可）是，普通物质的基本构成要素——质子——最终必然会衰变，尽管衰变速度超出了当今观测技术的极限。他还提出了一些理由，怀疑量子力学规则可能需要修改。他最初支持这一观点，但后来（我认为很不幸）他有了不同的看法。2004 年 7 月，在都柏林举行的国际引力会议上，他公开宣布他改变了最初对黑洞“信息丢失”的预测，从而承认在与加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔的打赌中失败。

在研究黑洞之后，霍金将注意力转向量子引力，并提出了解决一些基本问题的巧妙想法。量子引力通常被认为是物理学中最基本的未解问题，它涉及如何正确地将粒子物理学的量子过程施加到空间和时间的结构上。它的一个既定目标是找到一种足够强大的物理理论来处理经典广义相对论下的黑洞和大爆炸的时空奇点。

到目前为止，尽管霍金的研究涉及将量子力学应用于爱因斯坦广义相对论的弯曲时空，但这项工作尚未提供引力的量子理论。这需要将“量化”步骤应用于弯曲时空本身，而不仅仅是其中的物理场。

霍金与詹姆斯·哈特尔合作，开发了一种量子方法来解释宇宙大爆炸奇点。这一想法被称为“无边界”方法，其中奇点被一个光滑的“盖子”所取代。这类似于地球北极的情况，经度的概念失去了意义（成为奇点），而北极本身具有非常漂亮的几何形状。

为了理解这一思想，霍金需要引入“虚时间”（或“欧几里得化”）的概念，将爱因斯坦时空的“伪黎曼”几何转化为更标准的黎曼几何。虽然这些想法中有许多都很巧妙，但它们仍然存在相当大的困难。其中之一是如何将类似的方法应用于黑洞内部的奇点，这从根本上来说是一个问题。

研究量子引力的方法还有很多。霍金的方法虽然备受推崇，仍在研究中，但并不是最受欢迎的。但所有其他方法都有各自的根本困难。

科学传播之星

直到生命的尽头，霍金仍在继续研究量子引力和相关的宇宙学问题。但在保持研究兴趣的同时，他越来越多地投入到科普工作中，尤其是普及自己的思想。他先是写了极为成功的科普书《时间简史》（1988 年），这本书被翻译成约 40 种语言，在全球售出超过 2500 万册。

这本书的标题无疑是一个惊人的成功因素。这个主题也吸引了公众的注意力。与此同时，霍金在努力克服残疾带来的限制时，也养成了直接、清晰的写作风格。在他不得不依靠电脑说话之前，他只能费很大力气、花费很大，所以他不得不尽可能使用简短、切中要点的句子。此外，不可否认的是，他的身体状况本身也吸引了公众的注意力。

虽然霍金写书的目的当然是向更广泛的公众传播科学，但他也有金钱方面的考虑。他的经济需求很大，因为他需要钱来养家糊口、养护士、养医护人员和越来越昂贵的设备。其中一些费用由捐款支付。

邀请霍金参加会议总是需要仔细计算：旅行和住宿费用将是巨大的，尤其是因为需要陪同他的人数众多。但他的公开演讲总是座无虚席，必须做出特别安排才能找到一个足够大的演讲厅。另一个因素是确保所有入口、楼梯、电梯等都方便残疾人士使用，尤其是他的轮椅。

他显然很享受自己的名气，并获得了许多旅行和经历不同寻常的机会，比如下矿井、游览南极洲、体验自由落体的零重力，以及结识其他杰出人物。

多年来，他的公开演讲变得越来越引人入胜。最初，视觉材料是透明胶片上的线条画，由他的学生展示。但在后来的几年里，他采用了令人印象深刻的计算机生成的视觉效果。他逐句控制语言材料，就像他使用带有美国口音的计算机生成的声音一样。他后来的畅销书《时间简史》（1996 年）和《果壳中的宇宙》（2001 年）中也采用了高质量的图片和计算机生成的图形。他和女儿露西一起写了儿童科学书《乔治的宇宙秘密钥匙》（2007 年）。他还担任许多其他科普书籍的编辑、合著者和评论者。

霍金获得过许多奖项和荣誉。他在 32 岁时当选为皇家学会会员，并于 2006 年获得该学会的最高荣誉科普利奖章。1979 年，他成为剑桥大学第 17 位卢卡斯自然哲学教授（艾萨克·牛顿爵士成为第二位卢卡斯教授约 310 年后）。1989 年，他被授予功绩勋章。他还在电视节目《星际迷航：下一代》中客串出镜，并在《辛普森一家》的动画片中扮演角色。此外，他的故事还被拍成了电影《万物理论》（2014 年）。

美好而艰难的人生

显然，他很大程度上受益于他的第一任妻子简·怀尔德 (Jane )，两人于 1965 年结婚，育有三个孩子，罗伯特、露西和蒂莫西。简在很多方面都对他非常支持，其中最重要的就是她对他几乎是宽容的态度，让他做他想做的事。

霍金是个意志力很强的人，想做的事他都会坚持做，这大概也让他的肌肉保持活跃，减缓肌肉萎缩，延缓病情发展。然而，他的病情却持续恶化，直到几乎无法做任何动作，如果不是几个熟悉他的人帮忙，他几乎都无法发表演讲。

1985 年，他在瑞士患上了肺炎。为了挽救生命，他不得不接受气管切开术。奇怪的是，在这次与死神擦肩而过之后，他的退行性疾病似乎进展得缓慢了。然而，气管切开术使他无法进行任何形式的口头交流，因此计算机语音合成器成为他当时必不可少的工具。

患肺炎后，霍金的家几乎被护士和医务人员占领，他和简也因此分居。两人于 1995 年离婚。同年，霍金与他的前护士之一伊莱恩·梅森结婚，她对霍金的支持方式与简不同。在霍金身体状况不佳期间，她给予他的爱、关心和照顾使他能够在所有活动中保持身体状态。然而，这段关系后来结束了，他和伊莱恩于 2007 年离婚。

尽管身体状况不佳，但他对生活始终保持乐观的态度。他喜欢工作、与其他科学家会面、艺术、名声和旅行。他喜欢孩子，有时还会用电动轮椅的旋转来逗他们开心。他还关心社会问题。他还促进了公众对科学的理解。

他非常慷慨，而且经常幽默风趣。他有时会表现出一点傲慢，这在顶尖物理学家中并不罕见。他也有一些专制的倾向。但他也表现出真正的谦逊，这是伟大的标志。

霍金有很多学生，其中一些后来成为了名人。然而，做他的学生并不容易（有一次，他把轮椅推到一位惹恼了他的学生的脚上）。他的言论很有权威，但他的身体问题常常让学生觉得这些简短的言论令人困惑。一个有能力的同事也许能够揭示这些言论背后的意图，但对于一个没有经验的学生来说，这完全是另一回事。

对于这样的学生来说，与霍金的会面可能是一种令人畏惧的经历。霍金可能会要求学生追寻一些模糊的线索，而这样做的原因可能看起来非常神秘。由于很难澄清，学生们经常会得到像神谕一样的启示——这些启示的正确性不容置疑，如果正确地解释和发展，它们肯定会引出深刻的真理。这种印象现在可能留在我们每个人的脑海中。

史蒂芬·威廉·霍金，物理学家，1942年1月8日出生；2018年3月14日去世，享年76岁。

原文链接：