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憶恩師霍金:一生追索什麼才是世間基本 宇宙何以創生

  

  撰文| 吳忠超 浙江工業大學教授 著名物理學家霍金的華人學生

  2018年3月14日,史蒂芬·霍金逝世,享年76歲。他永遠離開了這個他無比熱愛的世界,而這一天恰好是愛因斯坦139年誕辰。此後的幾天裡,我急切地等待霍金的葬禮日程安排,希望向他做最後的告別。3月17日我收到劍橋大學的通知,說他們很快就會發出通告,但沒有透露任何具體信息。在這之前,霍金的前妻簡已經去過劍橋城西北萬靈巷的昇天教區墓園勘察並選址。

  這塊小墓園偏僻而寧靜,凝縮著劍橋大學近150年的歷史。我至少去過兩回,第一回是在22年前的復活節。安息在此的學者中,最著名的便是20世紀最偉大的哲學家維特根斯坦、天文學家亞當斯和愛丁頓,還有達爾文家族(達爾文本人葬於倫敦西敏寺)、《金枝》的作者弗雷澤,以及一些諾貝爾獎得主。亞當斯獨立地計算出天王星軌道和開普勒及牛頓定律的偏離,並預言了海王星的存在。愛丁頓在西非日食時探測到光線在太陽引力場中的偏折,首次驗證了廣義相對論的預言。這些都和霍金畢生從事的引力物理緊密相關。事實上,霍金和彭羅斯還分享了1966年的亞當斯獎與1975年的愛丁頓獎章。

  我對許多朋友說起,估計葬禮計劃之所以遲遲未公佈,很可能當局還有其他想法,是要把他葬在倫敦西敏寺。果然,3月19日簡給我來信,邀請我參加霍金在劍橋的葬禮和在倫敦西敏寺的安葬儀式。她在信中還告訴我霍金將會被葬在牛頓墓旁。霍金將和人類的偉大先驅哥白尼、伽利略、開普勒、牛頓以及愛因斯坦一樣,從此在智慧的星空中發出永恆的光芒。

霍金童年照霍金童年照

  1942年1月8日,霍金誕生於牛津,這正是伽利略逝世300年忌日。這一巧合似乎暗示著他將獻身於科學,特別是宇宙學的研究。他的幼年在倫敦的海格特度過。值得一提的是,海格特公墓西區安息著電磁感應定律的發現者法拉第。1950年,隨著從事熱帶病研究的父親工作的變動,霍金全家搬到倫敦更北的聖奧爾本斯。他在那裡完成了中學教育,並按照他父親的意向,於1959年考取了父親的母校牛津大學。

少年時期的霍金少年時期的霍金

1962年霍金從牛津大學畢業,轉到劍橋大學攻讀博士學位。他原先想追隨劍橋理論天文研究所的創建者,英國當時最著名的天文學家弗雷德·霍伊爾。但霍伊爾已經收滿了學生,所以西阿瑪被指定為他的導師。這個陰錯陽差對他的未來特別關鍵。如果他跟隨霍伊爾,那他就得像霍伊爾的一位非常著名的印度學生納裡卡一樣,去捍衛霍伊爾等倡導的穩恆態宇宙模型。雖然1929年哈勃發現了宇宙的紅移定律,由此得知宇宙正在膨脹,然而它是由伽莫夫等提出的大爆炸模型,還是由霍伊爾等提出的穩恆態模型描述還不清楚。20世紀60年代早期,馬丁·賴爾領導的劍橋射電天文學小組對弱射電源進行調查,其觀察結果和穩恆態模型的預言相悖,而1964年彭齊亞斯和威爾遜非常偶然地發現了宇宙微波背景,這徹底地證偽了穩恆態模型。

牛津大學俱樂部的夥伴們白色襯衣揮舞手帕的是霍金牛津大學俱樂部的夥伴們白色襯衣揮舞手帕的是霍金

  西阿瑪門下出現了許多傑出的引力物理學家,除了霍金之外,還有馬丁·里斯、布蘭登·卡特、喬治·埃利斯等,他還把才華橫溢的數學家羅傑·彭羅斯吸引到引力物理領域來。西阿瑪說過,他對科學的最重要貢獻就是培養出了霍金。

霍金和簡霍金和簡

  霍金在牛津上本科三年級時就發現自己的行動變得笨拙,去劍橋上學後的第一個聖誕節假期,他在湖上滑冰跌倒時無法站起,幾經周折後被診斷為患了不治之症——漸凍症。通常認為這種病人只有一兩年可活。可以想見,那時他的情緒有多麼低落。此時他非常幸運地遇到了一位年輕的女子簡·王爾德。簡的愛情給予他以生活的希望。可以毫不誇張地說,如果沒有簡,就沒有後來的霍金。

  霍金在他的天才煥發和病情發展的競跑中贏得勝利。英國民族對學術的崇尚,尤其是劍橋大學對天才的珍惜,是產生霍金這樣人物的必要條件。1965年,他就被選為龔維爾和基斯學院的研究員,他在這個學院任職終身。這個學院是劍橋現存的第四古老的學院,是牛津、劍橋僅次於三一學院獲諾貝爾獎最多的學院,共有14名成員獲獎。學院深具醫學傳統。17世紀,威廉·哈維證實了血液循環現象。1953年,弗朗西斯·克里克和美國人詹姆斯·沃森發現了DNA的雙螺旋結構,我們在學院的窗玻璃上可以看到這個結構的示意圖。

  即便單從醫學的角度看,他已成為漸凍症患者中存活最久的人,55年——這是空前的。這使我們聯想起偉大的數學家歐拉,他28歲時右眼失明,59歲時左眼也幾乎失明,從此17年處於黑暗之中,他也是活了76歲。

  引力物理在愛因斯坦於1915年提出廣義相對論後發展緩慢。在20世紀60年代之前它幾乎淪為應用數學的一個分支,這是因為愛因斯坦的場方程非常複雜,而且從該方程的解很難抽取物理意義。費曼對這種狀態極為不滿,他去華沙蔘加一次廣義相對論會議後,甚至讓他的夫人提醒他將來絕不可參加這種會議,以免高血壓發作。

  這種面貌因惠勒學派,尤其是彭羅斯、霍金和蓋羅許的研究而煥然一新。惠勒學派的方法是在足夠對稱的時空進行微擾計算,而彭羅斯變革性的觀點是關注時空的拓撲,尤其是它的共形結構,為此他和卡特發明了卡特-彭羅斯圖的有力工具。1965年,彭羅斯發表了劃時代的論文《引力坍縮和時空奇點》,該論文證明引力坍縮導致黑洞中的奇點。同年,霍金將相同的思路應用到整個宇宙,證明了如果廣義相對論是正確的,物質的能動量張量滿足某些非常合理的條件,那麼宇宙必定起始於大爆炸的奇點。在霍金宣佈這個結果之前,還有人以為大爆炸可能是以前的一個收縮相的反彈。這個結果是他的博士論文《膨脹宇宙的性質》最精華的部分。

  此後,在經典引力物理中,霍金對黑洞理論做出了許多根本性的貢獻,諸如他和同行們證明了黑洞的無毛定理,他指出四維時空的黑洞視界的拓撲必須為球面。但最為人稱道的是他提出了黑洞視界面積不減定理。

  黑洞面積定理是說,黑洞演化甚至黑洞合併,其總的視界面積不減。1971年,霍金由此推出由兩個黑洞碰撞引起的引力輻射的能量上限。44年後的2015年由LIGO實現的首次引力波觀測證實了這個結果。1973年,他和巴丁、卡特合作發表了題為《黑洞力學的四個定律》的論文,將其和熱力學的四個定律做平行的比較。

  霍金對經典引力物理的貢獻被總結在他和埃利斯合著的《時空的大尺度結構》一書中。這是一部研究時空拓撲和因果性的集大成著作。可以說,這方面的問題幾乎已經被這部書窮盡了。實際上,自1973年問世之後,再也沒有這個方面的著作能超越它。

  彭羅斯和霍金的奇性定理表明,經典廣義相對論不是一個完備的理論,它在奇點處崩潰了。為了得到自然的完備描述,必須將20世紀發現的另一個偉大的理論——量子論和相對論合併成量子引力。所以在和埃利斯合著的書出版後,霍金的研究就從經典相轉向量子相。

  1974年霍金在研究黑洞附近的量子場論效應時,發現了從黑洞的視界向無限遠處輻射粒子,這種粒子的譜具有黑體輻射的形式。在最簡單的史瓦西黑洞的情形,其溫度和黑洞的質量成反比。黑洞輻射使黑洞損失質量,從而溫度升高而輻射加速,黑洞最終以巨大的爆炸結束其生命。受黑洞面積定理的啟示,普林斯頓大學的研究生貝肯斯坦曾經猜測,黑洞的熵應和視界的面積成比例。霍金的這篇論文證明了,在所謂的普朗克單位下,黑洞的熵恰好是它視界面積的四分之一。這個結果啟發了後人發展出引力全息原理。

  這篇在愛因斯坦之後最重要的引力物理的論文,寄到一家國際刊物後,居然在一年內毫無聲息,後來被告知論文丟失。最後發表時標明的接收日期是按再次交稿時算,此前它早已被學術界廣泛引證。這個雜誌後來邀請霍金任顧問。

  霍金從黑洞輻射場景很快意識到,黑洞輻射場景會導致所謂的信息悖論。無論由什麼物質以何種配置坍縮形成黑洞,無毛定理都告訴我們,黑洞僅由總質量、角動量和電荷來表徵。黑洞最後要蒸發並爆發消失,所以除了這幾個參數,所有的信息都丟失了。信息悖論是理論物理學界40多年未徹底解決的重要問題之一。

  1974年霍金被選為英國皇家學會會員。1977年他被任命為引力物理教授。這是劍橋為其量身訂製的。那個時代,劍橋規定每一個研究組都只有一名教授,直到有了空缺才能遞補,所以絕大多數劍橋人終身任講師。但對天才可以暫設教授位置,這就是霍金的情形,兩年後他被選為盧卡斯數學教授,引力物理教席也就自動取消了。

  盧卡斯數學教授是科學史上最崇高的教席,因為牛頓和狄拉克都是他的前任。我有幸見證了霍金的就職儀式,他發表了題為“理論物理的終結可能在望嗎?”的演講。狄拉克生前多半時間在聖約翰學院埋首研究,很少到應用數學和理論物理系來,而霍金經典相時期和他的研究交集不多。後來狄拉克退休搬到佛羅里達並終老於彼,只有夏天回劍橋,有時會到系裡,但我從來沒有遇到過他。1975年他在梵蒂岡曾當面告訴霍金,是他推薦霍金獲得庇護十一世獎章的。1984年狄拉克逝世後被埋葬在佛羅里達,但1995年倫敦西敏寺為他在牛頓墓旁安放紀念石,並邀請霍金在儀式上致辭。

  1982年夏天,霍金和吉本斯在劍橋召開了極早期宇宙學的會議。這是在該領域影響最深遠的會議。早在20世紀70年代,狄克等就指出在大爆炸宇宙模型中存在一些嚴重問題,如宇宙微波背景因果性問題、單極子問題,尤其是空間平性問題,後者體現了宇宙演化對初始條件的極度敏感性。固斯和林德等認為,如果在大爆炸相前宇宙以指數式膨脹,即存在一個暴脹相,那麼這些問題就可以避免。不過,由於暴脹的機制或暴脹子不能從第一原理推出,所以不少人對這個場景抱遲疑態度,認為它只是一個唯象模型。但是,這次會議取得了一個重要的進展,那就是霍金等人提出,在暴脹背景下,經典無規性很快就被暴脹抹平,而量子場漲落應是宇宙結構,比如星系團和星系的籽。事實上,那也正是8年前霍金和吉本斯把對黑洞視界輻射推廣到宇宙視界時研究過的量子漲落。10年後,宇宙背景探索者衛星探測到由這個漲落引起的微波背景溫度在不同方向的差別。後來WMAP和普朗克衛星的觀測更證實它和預言精確一致。

1991年時的霍金。圖片來源:英國《獨立報》

  這次宇宙極早期的會議重新喚起了霍金對宇宙學,尤其是宇宙學中最重要的問題——宇宙創生的興趣。他堅信這個問題應屬於科學的王國。實際上,早在1981年,他就在梵蒂岡教廷科學院的一次會議上提出了宇宙的邊界條件是它沒有邊界的設想。他認為沒有什麼邊界條件比宇宙沒有邊界更美妙了。1983年他和哈特爾一起將這個思想用數學表述出來。在他的模型中,無邊界設想意味著,宇宙一創生進入實時間就處於暴脹階段,然後才進入大爆炸階段。場的量子漲落在暴脹階段處於基態。與此相比,在暴脹宇宙模型中,暴脹子和基態漲落都是人為設定的。基態的漲落可分解為標量和張量兩部分,這些微擾的演化,標量部分可以與宇宙微波背景溫度起伏做比較,而張量部分可望與太初引力波的譜做比較。

  宇宙學最初的大爆炸模型並沒有預見性,暴脹宇宙模型只具有半預見性,即相當廣泛的,而非所有的初始條件會導致我們所觀測的宇宙。無邊界設想賦予宇宙學完全的預見性。事實上,宇宙的演化完全由科學定律所決定。這就徹底解決了從牛頓時代開始就困擾人類的第一推動問題。在無邊界宇宙學的框架中可以研究宇宙的暴脹、結構、各向同性、旋轉、維數、時間箭頭、太初黑洞和太初引力波。

  霍金在發展無邊界宇宙學的同時萌生了寫一部宇宙學和黑洞科普書的想法,這就是暢銷至今的《時間簡史》。霍金從一位科學天才成為大眾明星,主要是因為這部書的出版。

霍金與三個孩子霍金與三個孩子

  他和簡養育了三個孩子,羅伯特、露西和蒂莫西。1995年和簡離婚,同年和伊萊恩·梅森結婚。2006年和伊萊恩平和分手。

  他一生得到無數榮譽,也到過許多國家講學。

  他對中國有極大的好奇心,但他對中國的學術界很不瞭解。20世紀80年代,我建議他訪問中國科技大學,並幫助聯繫。1985年他的第一次訪華成行,在合肥和北京各做一次學術報告,遊覽了故宮和長城。

  2002年和2006年,他應丘成桐的邀請訪問杭州、北京和香港,遊覽了西湖、天壇、頤和園,再次登上長城。2002年的訪華由伊萊恩陪同。我在杭州當他的翻譯。2006年訪華時伊萊恩沒來。應他的要求,我全程陪同他。我用最簡單的相機給他在天壇祈年殿前拍的照片,被他選用在自傳《我的簡史》中。他在世界各地旅行期間拍攝的照片何止萬千!可以想見神祕的中國多麼吸引他。

  從我認識霍金直到他去世,39年是個漫長的時間。1979年,我受他邀請來到他的研究小組,在他指導下完成了博士論文,研究方向是極早期宇宙中的引力效應,包括相變泡碰撞的時空度規準確解,以及引力坍縮問題。1984年在我得到劍橋博士學位後,他繼續指導我從事量子宇宙學的研究,我們合作的宇宙波函數第一個數值解發表於1985年。之後他推薦我到歐美遊學。

霍金和謝耳朵的合照。圖片來源:JOE

  1997年他得知我在梵蒂岡天文臺訪問,就邀請我在歐洲最好的季節復活節訪問劍橋。我在他的辦公室第一次見到他的第二任夫人伊萊恩。那次他對我表達了要訪問中國的強烈願望。但後來因為陰錯陽差沒有成功。

  2004年他再次邀我來劍橋。2004年12月10日,我在他的辦公室裡問他,黑洞輻射和無邊界宇宙這兩個貢獻中,他究竟認為哪項更為重要?他回答道,“別人認為黑洞輻射更重要,因為它已經被接受了,我卻認為無邊界設想更重要。”

  2006年湖南科學技術出版社的朋友們和我應邀來劍橋看望他,他主動提出把所有的科普著作都交給湖南出版。他還單獨請我到他的學院上席晚宴,喝咖啡,再到他家閒聊,直到深夜一點。他那回精神非常好。我們仔細討論了將去北京開會的細節,我問他最喜歡中國哪個城市,他說我才去了這麼少的地方。但他對合肥的印象最深。

  2009年,我應他邀請又來劍橋時,他大病初癒。他在得知我們要離開時,立即從家裡趕到辦公室和我們話別。我們看到他滿臉病容,心裡既難過又感動。我們合影留念,但我們不忍心將照片公開。

  2012年我應邀參加他的70歲生日慶祝會議,由於他身體衰弱,醫生建議他不要露面。

  2017年7月,我去劍橋參加慶祝霍金的75歲生日的學術會議。受霍金著作中文版責編孫桂均之託,我帶去了霍金像雙面繡,該繡品是長沙五位湘繡大師花7個月時間精心製作的。我將這幅栩栩如生的藝術品當面送給霍金,以感謝他對湖南科學技術出版社幾十年的信任。應孫桂均的要求,我為這幅湘繡擬了兩行字:“黑洞輻射貫通引力量子信息,無邊界律驅動宇宙無中生有。”

  這兩行字濃縮了霍金一生最重要的科學貢獻。第一項研究追索什麼才是更基本的,是時空,還是信息?這是本體論的問題。第二項研究宇宙何以創生,這是存在論的問題。他甚至說過,必須存在一套完備的統一理論,如果不存在的話,宇宙就消失了。

3月31日,在英國劍橋,霍金的第一任妻子簡(左二)、兒子蒂莫西(左三)和女兒露西(左四)出席葬禮。已故英國科學家霍金的葬禮31日下午在劍橋大學的聖瑪麗教堂舉行。霍金的家人、同事和朋友等約500人出席了這個私人紀念活動。新華社發 史蒂芬·程 攝3月31日,在英國劍橋,霍金的第一任妻子簡(左二)、兒子蒂莫西(左三)和女兒露西(左四)出席葬禮。已故英國科學家霍金的葬禮31日下午在劍橋大學的聖瑪麗教堂舉行。霍金的家人、同事和朋友等約500人出席了這個私人紀念活動。新華社發 史蒂芬·程 攝

  在參加劍橋和倫敦的追悼活動時,我曾經用文字將這些歷史場景記錄下來。他離去的時刻,使我極為真切地感到,“他為這個文明理解時空、宇宙和存在的推進,以及對人類道義和社會的普適關懷,在他逝去後將會逐漸展現出其深遠的意義。”

  我對霍金逝去的感受,完全符合他這部遺著《十問:霍金沉思錄》的主旨。

  兩千三百多年前,楚國的屈原在《天問》的一開始就追尋宇宙本源問題,一千年後唐代的柳宗元的《天對》對此做了迴應。在希臘,大約和屈原同時代,阿利斯塔克就已經提出日心說的雛形。16世紀哥白尼建立了完整的日心說宇宙體系。17世紀的伽利略用天文觀測支持哥白尼學說,而開普勒發現了行星運動定律,還把宇宙的和諧視為終極真理。牛頓的學說將伽利略和開普勒的事業發揚光大。直至19世紀末,牛頓的時空觀還一直被當作科學界的金科玉律,康德把他對牛頓時空觀的迷惑表述為二律背反。直到大約一百年前的哈勃紅移定律的發現,以及愛因斯坦廣義相對論的提出,人們才大體得到今日之宇宙圖像。所有這一切都是對亙古天問的迴應。

  霍金在本書回答的大問題正是當代的天問,是地球文明的思想家對人類和宇宙命運的叩問,是人和天的問對。它們是:上帝存在嗎?一切如何開始?宇宙中存在其他智慧生命嗎?我們能預測未來嗎?黑洞中是什麼?時間旅行可能嗎?我們能在地球上存活嗎?我們應去太空殖民嗎?人工智能會不會超過我們?我們如何塑造未來?也許只有萬物之靈的人類才能對宇宙存在等尋根究底,因為他們不甘滿足於存活和繁衍,那只是動物的本能。同理,民族的形而上的發展表徵其文明演化的程度。

  宇宙無中生有地創生後,最美妙的事件是孕育了生命,以及生命的子集昇華出意識,而其中最珍貴的子集能理解宇宙和自身。霍金,這個完全以思維為存在方式的生命,在決定以揭開宇宙的奧祕為終身使命後,從來沒有抱怨過自己深受的病痛。這使人想起康德,他說自己的生活就是幾道觀念。霍金已經離開我們遠去了,但他對人類命運的關懷和勸誡,都是我們面對這個世界的愚蠢和貪婪時的一劑安慰。(圖片由編輯所加)

  注:本文收錄於《十問:霍金沉思錄》一書,該書為霍金最後的著作,吳忠超譯。

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