圖片來源：劍橋大學官網(wǎng)(http://www./stephenhawking)

作者 | 鄢盛豐，蔡一夫（中國科學技術大學）

每年3月14日是物理學家愛因斯坦的誕辰，但今年的這一天，更為之震驚的是另一顆巨星的隕落。筆者之一在當天中午就餐的時候，看到朋友分享了一條英國廣播公司(BBC)的消息：“突發(fā)新聞：物理學家史蒂芬·霍金去世，享年76歲”。

霍金去世的消息也立刻被國內各大官方媒體轉載，社交平臺上頻頻轉發(fā)，熱度居高不下。很難相信在如今娛樂至死的年代，這是大家在悼念一位思考宇宙起源的物理學家。這種景象在歷史上也發(fā)生過，同樣是在英國，也是位出身劍橋大學的科學家——牛頓。在他的葬禮時，倫敦城萬人空巷，各個貴族爭相去抬他的靈柩。當時法國大思想家伏爾泰也在現(xiàn)場，并被人們對理性和科學的尊敬所震撼。

人們將霍金稱為當代的牛頓、愛因斯坦，天才，科普網(wǎng)紅…… 但是無論擁有多少榮耀的頭銜，我們都不該忘記，霍金是一位從未停止過探索宇宙的物理學家。

霍金出生于1942年1月8日，正好是伽利略逝世300周年紀念日(會不會給人一種被欽定的感覺？)。他17歲進入牛津大學，20歲時獲得學士學位，同年進入劍橋大學攻讀博士學位。他起初想師從宇宙學大師弗雷德·霍伊爾，可后來給他安排的導師是丹尼斯·西阿馬，這兩位宇宙學家對于霍金早期的研究影響頗深。西阿馬作為一名非常優(yōu)秀的科學家，對霍金有極大的幫助與激勵。1973年，霍金和同門師兄喬治·埃利斯一起出版了專著《時空的大尺度結構》，并以此獻給他們的導師。

弗雷德·霍伊爾

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弗雷德·霍伊爾最著名的工作是提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，并受約翰·惠勒和理查德·費曼工作的啟發(fā)給出了相應的霍伊爾-納里卡理論。霍金讀博的時候對霍伊爾的理論非常感興趣，并做了詳細計算，結果發(fā)現(xiàn)其中產(chǎn)生了矛盾，并在霍伊爾的一次報告中當面指了出來。他后來將這些內容都寫進了他的博士畢業(yè)論文《膨脹宇宙的性質》，給了穩(wěn)恒態(tài)宇宙論沉重一擊。然而該論文中最大的亮點卻是最后一章，即對宇宙學奇點定理的證明。

霍金在博士期間的研究工作非常出色，但不幸的是，他在那時被確診患上了漸凍癥，之后逐漸全身癱瘓無法言語。但他憑借著極為頑強的毅力活了下來。他組建了家庭（不止一次），獲得了博士學位，而后又獲得了教職，并逐步成為了當今世界上最偉大的物理學家之一。

從1979年開始，霍金被授予劍橋大學的盧卡斯數(shù)學教授一職。盧卡斯數(shù)學教授席位創(chuàng)立于1663年，第一任是牛頓的老師兼同事艾薩克·巴羅，之后，牛頓、斯托克斯、狄拉克等十幾位大師都出任過該教職?；艚鹪谶@個職位上一干就是30年。在退休前兩年，也就是2007年，霍金在劍橋大學建立了理論宇宙學中心(CTC)，并指出CTC的建立是為了“發(fā)展數(shù)學上自洽且可供觀測檢驗的宇宙理論”。

霍金的一生從未停止過對宇宙的探索，在他做出的諸多科學貢獻中，有關宇宙學方面的工作為這一領域的發(fā)展畫上了濃墨重彩的一筆。作為與他僅有過若干次學術交流之緣的后輩，筆者并不認為自己具備評價這位巨匠科學生平的資格。因此，筆者在這里只能抱著最大的敬意對所從事的同行領域加以最謙遜的介紹。

霍金在有關宇宙學方面的重要工作都是在七八十年代做出來的，主要的幾個是：宇宙學奇點定理，霍金輻射，原初黑洞和宇宙波函數(shù)的哈特-霍金態(tài)。

在博士期間，他受到數(shù)學家羅杰·彭羅斯證明黑洞奇點定理的啟發(fā)，和彭羅斯一起將其應用到宇宙上。按照廣義相對論，如果按時間減小的方向，宇宙將會收縮到一個能量密度無限大的點，該點就是宇宙奇點。在這個點上廣義相對論會失效，也就表明了愛因斯坦的引力理論是有缺陷的。因此，物理學家需要尋找到一種比廣義相對論更為基礎的引力理論來取而代之，這也為前赴后繼在量子引力之路上的修行者們提供了一盞路燈。

幸好我們的宇宙為經(jīng)典引力和量子世界發(fā)生沖突提供了一類天然試驗場，那就是黑洞。70年代霍金開始轉向研究黑洞動力學，他于70年代初首次證明了黑洞面積不減定理，并與巴丁和卡特提出了與熱力學四定律相似的黑洞四大定律。同時惠勒的研究生貝肯斯坦首先提出了黑洞視界面積和熵的關系。然而，這些工作并沒有給出有關黑洞溫度的合理解釋，直到1974年霍金導出了著名的黑洞霍金輻射，并完善了貝肯斯坦的想法，給出了貝肯斯坦-霍金公式。該公式中神奇地包含了玻爾茲曼常數(shù)k、普朗克常數(shù)h和引力常數(shù)G，是熱力學、量子力學和相對論三大領域交匯的地方。

在霍金輻射中，他利用彎曲時空量子場論，刻畫了這樣一個圖像：在黑洞附近的真空漲落中，可以有一對虛粒子的產(chǎn)生，其中一個將被黑洞吸收，而另一個將獲得自由逃逸出去，這就導致了黑洞能夠輻射，而且這些輻射組成了一個完美的黑體譜。與此同時，根據(jù)能量守恒，被吸收的那個虛粒子攜帶了負能量，于是就中和了一部分黑洞的質量，看起來就像是黑洞蒸發(fā)了一樣。這一重要發(fā)現(xiàn)為后來的一系列理論物理發(fā)展作了極為關鍵的鋪墊，并帶出了有關黑洞信息悖論的理論疑難，成為了黑洞信息、量子信息和量子引力的研究熱點。

霍金的思考從未離開過宇宙學。在1971年的一篇文章中，霍金提出了宇宙學中黑洞的形成機制，認為宇宙極早期的物質密度擾動可能會形成微型的黑洞。接下來的1974、1975年，他和他的學生伯納德·卡爾陸續(xù)完善了這一想法，并給出了原初黑洞質量譜的計算。與恒星塌縮形成黑洞的傳統(tǒng)過程不同，宇宙在極早期的量子漲落會誘生時空的曲率擾動，從而進一步產(chǎn)生極早期宇宙的物質密度擾動。當這個密度擾動超過一個臨界值時便會有一定概率塌縮成原初黑洞。原初黑洞可以用來解釋暗物質組分，也可以用來解釋一些天文學觀測中的反?，F(xiàn)象以及作為一類引力波發(fā)生器的候選者，這些都是近年來宇宙學領域的熱門話題。

七十年代末八十年代初，宇宙學中的暴脹學說異軍突起，很好地解決了熱大爆炸宇宙論的一系列理論疑難?；艚鹨惭杆俑M了這些進展，他和詹姆斯·哈特在1983年提出一個哈特-霍金量子態(tài)，并描述了該態(tài)的宇宙波函數(shù)滿足量子引力中的惠勒-德維特方程。該結果給出了量子宇宙學中一個極為重要的無邊界假說。他們利用量子場論中的維克轉動方法將實時間軸轉動到虛時間軸，論證了在這一特定的量子態(tài)下，宇宙的邊界條件就是沒有邊界。并且在這種情況下，宇宙可以從無邊界中浮現(xiàn)出來，并演化到一個德西特時空。也就是說，這為暴脹宇宙論提供了一個特定的初始條件。

除了影響深遠的研究工作，霍金能夠獲得如此聲譽，和他在科普上做出的巨大貢獻密不可分。是他將理論物理學家在近百年來做出的眾多晦澀難懂的杰出工作，以生動形象的方式呈現(xiàn)給了大眾，讓這個星球上大多數(shù)人了解到我們目前對自己這個宇宙的認識，也吸引了一大批青年才俊進入這個領域。他因杰出的科學貢獻，和與病魔頑強抗爭的經(jīng)歷，成為了很多人的精神領袖，代他行走和說話的高科技輪椅也成為了他特有的標志。

由于身患殘疾需要護理，再加上家庭和子女的負擔，這筆開支僅憑大學教授的工資是不夠的。所以霍金決定抽出大量科研時間來寫一本科普書，以賺取額外津貼（這或許是霍金的一次自我解嘲）。1988年他出版了《時間簡史》，這本書成為了史上最成功的的科普著作，被譯為四十多種語言，累計銷量2500萬，一度登上過暢銷書榜首，超過了同期的邁克爾·杰克遜的書。出版社編輯之前給他說“多一個公式就會少一半的讀者”，于是整本書就只剩下了愛因斯坦最著名的質能方程E=mc^2。后來他還出版了《果殼中的宇宙》、《大設計》等科普著作。2014年基于他故事改編的電影《萬物理論》上映，講述了他不同尋常的經(jīng)歷，引起了社會的熱烈反響。

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