▲斯蒂芬·威廉·霍金，1942年1月8日生于英國(guó)牛津

作者 卞毓麟（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)客座研究員)

責(zé)編 許嘉芩 劉愈

“輪椅上的天才”斯蒂芬·霍金舉世聞名,。他在宇宙學(xué)和黑洞研究方面取得的成果令各國(guó)科學(xué)家贊嘆不已,，人們甚至稱(chēng)他為“當(dāng)今的愛(ài)因斯坦”。他的科普名著《時(shí)間簡(jiǎn)史》被翻譯成不下40種文字,，在全球的累計(jì)銷(xiāo)量早已超過(guò)1000萬(wàn)冊(cè),。他年輕時(shí)已身染肌萎縮性側(cè)索硬化癥，醫(yī)生認(rèn)為他只剩下了兩年時(shí)間,?？墒牵粌H又活了20多個(gè)兩年,，而且在2006年6月第三次來(lái)華進(jìn)行學(xué)術(shù)活動(dòng),，甚至興致勃勃地游覽了天壇?！短煳膼?ài)好者》雜志隨即邀請(qǐng)本書(shū)作者撰寫(xiě)這篇長(zhǎng)文,，從2006年9月開(kāi)始連載。今稍作修訂,，收錄如次,。

科學(xué)技術(shù)和文學(xué)藝術(shù)一樣，不能沒(méi)有浪漫的想象,。

18世紀(jì)后期,，英國(guó)出現(xiàn)了以“湖畔詩(shī)人”華茲華斯、柯?tīng)柭芍魏万}塞為代表的第一代浪漫主義作家,。他們生活的時(shí)代,，大致同熱衷于發(fā)現(xiàn)小行星的德國(guó)人奧伯斯以及計(jì)算出天王星運(yùn)動(dòng)反常的法國(guó)人布瓦爾相當(dāng)。19世紀(jì)初,，拜倫,、雪萊和濟(jì)慈成了英國(guó)第二代浪漫主義詩(shī)人的典范。

華茲華斯在凝視牛頓的半身塑像時(shí)，吟出了日后傳誦全球的名句：

“這大理石標(biāo)志的心靈,，

在奇妙的思維之海上永遠(yuǎn)航行,，

永遠(yuǎn)，永遠(yuǎn),，

獨(dú)自向前,。”

▲英國(guó)劍橋大學(xué)三一學(xué)院的牛頓像

今天,，無(wú)論是親眼目睹斯蒂芬·威廉·霍金的容貌,，還是注視他在各種媒體上的形象，都會(huì)使我們想起華茲華斯贊頌牛頓的這首詩(shī),。

按照格里歷——即現(xiàn)行的公歷,，牛頓是1643年1月4日出生的。但是,，英國(guó)遲至1752年9月4日才開(kāi)始采用公歷,。依照舊歷——即儒略歷，牛頓的生日乃是1642年的圣誕節(jié),。整整3個(gè)世紀(jì)后,，霍金在英國(guó)出生。他的生日是1942年1月8日,，那天恰逢天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者伽利略逝世300周年,。當(dāng)時(shí)第二次世界大戰(zhàn)正酣，霍金的母親為躲避德軍的轟炸而暫離倫敦,，在牛津生下了他,。

父親希望霍金學(xué)醫(yī)，但他本人向往數(shù)學(xué)和物理,。他于1959年進(jìn)入牛津大學(xué)，在物理學(xué)上大為領(lǐng)先,，以至于不太相信某些標(biāo)準(zhǔn)教材上所講的內(nèi)容,。有一次，輔導(dǎo)老師帕特里克·桑德斯從一本教材中摘了一些題目讓學(xué)生課后思考,。在下一次輔導(dǎo)課上,，霍金卻說(shuō)他沒(méi)法解這些題目。當(dāng)老師問(wèn)其緣故時(shí),，他卻用20分鐘指出了那本教材上的所有錯(cuò)誤,。

在大學(xué)時(shí)代，霍金花在學(xué)習(xí)上的時(shí)間不多,。他覺(jué)得自己那時(shí)給人的印象是：一個(gè)懶散,、差勁的學(xué)生，不愛(ài)整潔，愛(ài)玩,，愛(ài)喝酒,，學(xué)習(xí)不認(rèn)真。不過(guò),，他低估了人們對(duì)其才能的高度評(píng)價(jià),。他在大學(xué)的最后一次、也是最重要的一次考試,，得分介乎第一等和第二等之間,。為此，主考官們決定再對(duì)他進(jìn)行一次面試,。在面試中,，他們讓霍金談?wù)勎磥?lái)的計(jì)劃。他答道：“如果你們給我評(píng)第一等,，我將去劍橋,；如果我得第二等，我將呆在牛津,。所以,，我希望你們給我第一等?！?/p>

考官們成全了他,。1962年10月，霍金從牛津到劍橋,，意在成為英國(guó)當(dāng)時(shí)最有名望的天文學(xué)家和宇宙學(xué)家弗雷德·霍伊爾的研究生,。然而，霍伊爾的學(xué)生太多了,，霍金遂被指派給了丹尼斯·西阿瑪,。

▲霍金的導(dǎo)師、英國(guó)著名理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家丹尼斯·西阿瑪（1926-1999年）

“我從沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)他,。但那也許是最好的事情,。霍伊爾經(jīng)常出門(mén),，很少在系里,，我不會(huì)引起他更多的注意。而西阿瑪總在身旁,，隨時(shí)找我們談話(huà),。他的許多觀點(diǎn)我都不贊同，但它們激發(fā)了我去發(fā)展自己的理論圖景,?！?/p>

這番話(huà)，是2002年1月在劍橋大學(xué)隆重慶祝霍金60歲生日的報(bào)告會(huì)上,，霍金親口講的,。這次會(huì)上的報(bào)告者都是大師級(jí)的人物：馬丁·里斯講“復(fù)雜的宇宙及其未來(lái)”，詹姆斯·哈特爾講“萬(wàn)物之理和霍金的宇宙波函數(shù)”,，羅杰·彭羅斯講“時(shí)空奇點(diǎn)問(wèn)題：意味著量子引力嗎,？”，基普·索恩講“彎曲的時(shí)空”,?；艚鸨救酥v的題目是“果殼里的60年”，正文前的引語(yǔ),，便出自華茲華斯的長(zhǎng)詩(shī)《序曲》：

“一個(gè)自在的心靈,，永遠(yuǎn)

航行在奇妙的思想海洋?！?/p>

這些演講于2003年結(jié)集出版,，書(shū)名為《理論物理學(xué)和宇宙學(xué)的未來(lái)》。2005年,，該書(shū)的中譯本面世,，書(shū)名徑易為《果殼里的60年》。

目前,，霍金在劍橋的寓所是華茲華斯小樹(shù)林23號(hào),，看來(lái)他與華茲華斯真是有緣。

▲霍金的居所華茲華斯小樹(shù)林23號(hào)

霍金昔日的學(xué)生吳忠超教授攝

西阿瑪是一名非常優(yōu)秀的科學(xué)家,，一位出色的導(dǎo)師,。他早期帶領(lǐng)的學(xué)生，后來(lái)幾乎都成了宇宙學(xué)領(lǐng)域中的明星：上面提到的馬丁·里斯后來(lái)成了皇家天文學(xué)家,；喬治·埃利斯曾與霍金合著《時(shí)空的大尺度結(jié)構(gòu)》一書(shū)——此書(shū)是題獻(xiàn)給西阿瑪?shù)?，被人們推崇為“相?duì)論性宇宙論的《圣經(jīng)》”；布朗頓·卡特成了巴黎天文臺(tái)的科研主管,；霍金本人則于1979年37歲時(shí)成了劍橋大學(xué)的盧卡斯講席數(shù)學(xué)教授,。

當(dāng)初，牛頓是在1669年27歲時(shí),，繼他的老師巴羅之后當(dāng)上劍橋大學(xué)盧卡斯講席數(shù)學(xué)教授的,。該職位由一個(gè)姓盧卡斯的人出資設(shè)立,，故此命名,。霍金對(duì)這個(gè)職位頗為在意,，自牛頓以來(lái)的300年間曾擔(dān)任過(guò)該講席教授的所有人名——例如量子力學(xué)的奠基人之一狄拉克,，他都記得一清二楚。

對(duì)霍金來(lái)說(shuō)，被指派作為西阿瑪?shù)难芯可?，不僅不是災(zāi)難,，而且是一種福分。但是另一方面,，在牛津的最后一段時(shí)間里,，他終身的災(zāi)難卻已經(jīng)初露端倪?；艚鸶械阶约合敌瑤в欣щy了,，腿不太聽(tīng)使喚，走路老是撞上別的東西,，講話(huà)有時(shí)發(fā)音含混,，不過(guò)他什么也沒(méi)有告訴別人。

1962年底,，霍金從劍橋回家同父母一起過(guò)圣誕節(jié),。除夕夜，他們家舉行晚會(huì),。應(yīng)邀前來(lái)的有一位名叫簡(jiǎn)·懷爾德的姑娘,。她覺(jué)得霍金很有魅力，很快就被他吸引住了,。然而,，也就在那次晚會(huì)上，親友們發(fā)現(xiàn)他竟然連倒酒都有困難了,，大部分酒都倒在桌布上,。這真是一種不祥之兆。

1963年1月,，霍金回到劍橋,，被送進(jìn)醫(yī)院做一系列檢查，診斷結(jié)果是他患上了“肌萎縮性側(cè)索硬化癥”,。國(guó)際上此病的學(xué)名叫amyotrophic lateral sclerosis,，簡(jiǎn)稱(chēng)ALS。該病又叫盧伽雷病,，因美國(guó)歷史上著名的棒球手盧伽雷患有此病而得名,。在英國(guó)，這種病常稱(chēng)為“運(yùn)動(dòng)神經(jīng)癥”,。此病很罕見(jiàn),，且無(wú)法治愈。它會(huì)影響脊椎神經(jīng)索和影響控制運(yùn)動(dòng)功能的那部分腦,，但是,，思維和記憶之類(lèi)的高級(jí)功能卻不會(huì)受影響,。這種病通常以手肌無(wú)力和萎縮為首發(fā)癥狀，病程晚期出現(xiàn)舌肌萎縮和震顫,，構(gòu)音不清,，吞咽困難，飲水嗆咳等,?；颊呱眢w會(huì)逐漸殘廢，最后常因呼吸困難,、肺部感染,、全身衰竭而死亡。該病沒(méi)有痛楚,，但在疾病的最后階段醫(yī)生仍會(huì)用嗎啡來(lái)緩解病人的慢性抑郁癥,。

醫(yī)生曾說(shuō)霍金：還有兩年時(shí)間。有一段時(shí)間,，霍金陷于深深的絕望之中,。他喝酒，整天聽(tīng)瓦格納的音樂(lè),。后來(lái)他曾表示,，“他（瓦格納）的樂(lè)曲風(fēng)格和我陰暗的情緒相投”。

▲德國(guó)作曲家瓦格納（1813-1883年）,?；艚鹨簧己芟矚g他的音樂(lè)作品

那時(shí)，他做了一些痛苦的夢(mèng),，多次夢(mèng)見(jiàn)自己將被處死,。但他后來(lái)想到，倘若自己被判了死刑緩期執(zhí)行,，那么還是可以做很多值得做的事情：“如果我反正終將死去,，那不妨做些好事?！?/p>

霍金從極度沮喪中回到學(xué)業(yè)上來(lái)之后,，他父親曾經(jīng)找西阿瑪商量：斯蒂芬是否有可能在短于3年的時(shí)間內(nèi)獲得博士學(xué)位，因?yàn)樗峙禄畈坏?年了,。然而,，這位導(dǎo)師的回答是：“不?！?西阿瑪也許比任何人都了解自己這個(gè)學(xué)生的能力,，但他不能因?yàn)榛艚鸲淖冊(cè)瓌t。西阿瑪曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“我知道斯蒂芬有病,，但我對(duì)他和其他同學(xué)一視同仁”,，而霍金本人所希望的也正是如此。

簡(jiǎn)的出現(xiàn),，是霍金生活的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn),。她使霍金振作起來(lái)，重新樹(shù)立生活和學(xué)習(xí)的決心,。1964年10月的一個(gè)周末,，霍金在劍橋向簡(jiǎn)求婚，簡(jiǎn)立即同意了,。那時(shí),，霍金走路已經(jīng)不得不借助于拐杖，但他決不向疾病低頭,。

霍金很幸運(yùn),，不久又遇到了杰出的青年數(shù)學(xué)家羅杰·彭羅斯。彭羅斯幫他解決了研究中的一個(gè)難題,，這不僅使他的博士論文得以順利完成,，而且將他直接帶領(lǐng)到了理論物理學(xué)研究的前沿陣地。

霍金就讀牛津大學(xué)物理系時(shí)的指導(dǎo)老師是羅伯特·伯曼教授,。他認(rèn)識(shí)到霍金是一個(gè)天才,，并曾這樣談?wù)摶艚穑?br>

“他顯然是我所教過(guò)的學(xué)生中最聰明的?！薄盎艚鸩粌H聰明,，甚至不能用聰明來(lái)衡量。按照正常的標(biāo)準(zhǔn),，不能說(shuō)他非常用功,，因?yàn)檫@實(shí)在沒(méi)有必要?！蚁胛艺嬲淖饔弥皇潜O(jiān)督他學(xué)習(xí)物理的進(jìn)度,。我不能自夸曾經(jīng)教過(guò)他什么東西?！?/p>

大學(xué)畢業(yè)時(shí),，霍金覺(jué)得，在當(dāng)時(shí)理論物理學(xué)的兩個(gè)重要研究方向——宇宙學(xué)和基本粒子物理學(xué)中,，宇宙學(xué)對(duì)他具有更大的吸引力,。這是因?yàn)橛钪鎸W(xué)已經(jīng)具有一個(gè)明確的理論框架，即愛(ài)因斯坦建立的廣義相對(duì)論,。而另一方面,，當(dāng)時(shí)的基本粒子物理學(xué)卻缺乏某種合適的理論框架。物理學(xué)家們不斷地發(fā)現(xiàn)新的粒子,，然后就像植物學(xué)那樣進(jìn)行分類(lèi),，霍金覺(jué)得這很乏味,。

“宇宙學(xué)”這門(mén)學(xué)科，是把整個(gè)宇宙看作一個(gè)整體,，來(lái)探索它的結(jié)構(gòu),、運(yùn)動(dòng)、起源和演化,。古人的地心宇宙體系,，是早期宇宙學(xué)的主要成果。16世紀(jì),，哥白尼提出了日心宇宙體系,，使人們認(rèn)識(shí)到地球并不是宇宙的中心。18世紀(jì),，英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)在銀河系中不停地運(yùn)動(dòng)著,，因此太陽(yáng)也不是什么宇宙的中心。20世紀(jì)初,，美國(guó)天文學(xué)家沙普利證明,，太陽(yáng)并不在銀河系的中心，而是比較靠近銀河系的邊緣,。20世紀(jì)20年代,，美國(guó)天文學(xué)家哈勃開(kāi)創(chuàng)星系天文學(xué)，證明了銀河系只是宇宙間無(wú)數(shù)星系中的一員,。就這樣,，人類(lèi)的視野擴(kuò)展到了越來(lái)越遙遠(yuǎn)的太空深處。如今人類(lèi)觀測(cè)到的宇宙范圍約為140億光年,。

在理論方面,，牛頓在300多年前，已將他發(fā)現(xiàn)的力學(xué)定律和萬(wàn)有引力定律用于探討整個(gè)宇宙的行為,，這使宇宙學(xué)成了一門(mén)真正的近代科學(xué),。1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了關(guān)于時(shí)間,、 空間和引力的一種嶄新的理論——廣義相對(duì)論,。根據(jù)這種理論，可以推算宇宙作為一個(gè)整體所具有的結(jié)構(gòu)和特征,。因此,，人們通常說(shuō)愛(ài)因斯坦開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)。

同許多別的學(xué)科一樣,，現(xiàn)代宇宙學(xué)也有不同的學(xué)派,，產(chǎn)生了各種不同的理論。這些理論,，都必須不斷經(jīng)受天文觀測(cè)事實(shí)的檢驗(yàn),。能和新的觀測(cè)結(jié)果相吻合的理論,，將會(huì)獲得新的生命力；和新的觀測(cè)結(jié)果相矛盾的理論就難免衰落乃至消亡,。

1929年,，哈勃發(fā)現(xiàn)幾乎所有的星系都正在遠(yuǎn)離我們而去，而且離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系遠(yuǎn)去的速度就越快,。哈勃的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，奠定了現(xiàn)代觀測(cè)宇宙學(xué)的基礎(chǔ),。不久,，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓指出，哈勃的發(fā)現(xiàn)正好證實(shí)了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的幾種可能性之一：宇宙在膨脹,！

我們的宇宙正處在一種宏偉的整體膨脹之中,，這使得所有的星系不僅僅是遠(yuǎn)離我們而去，實(shí)際上它們相互之間全都在彼此遠(yuǎn)離,。你到任何一個(gè)星系上去,，都會(huì)看到同樣的情景。這有如一只鑲嵌著許多葡萄干的面包正在不停地膨脹,，面包中所有的葡萄干就會(huì)彼此離得越來(lái)越遠(yuǎn),。

宇宙膨脹這一嶄新的科學(xué)思想深深動(dòng)搖了宇宙靜止不變的陳舊觀念，它是20世紀(jì)科學(xué)中意義最為深遠(yuǎn)的杰出成就之一,。問(wèn)題是：造成這種膨脹的原因是什么,？這種膨脹究竟始于何時(shí)？

可以想像,，既然星系都在彼此四散分離,，那么回溯過(guò)去，它們就必然比較靠近,。如果回溯得極為古遠(yuǎn),，那么所有的星系就會(huì)緊緊地?cái)D在一起。人們自然會(huì)想：我們的宇宙也許就是從那時(shí)開(kāi)始膨脹而來(lái),，也許那就是我們這個(gè)宇宙的開(kāi)端,。

首先這樣描繪宇宙開(kāi)端的是比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特，他設(shè)想那個(gè)極其致密的原始天體在一場(chǎng)無(wú)與倫比的爆發(fā)中爆炸了,，爆炸的碎片后來(lái)成了無(wú)數(shù)個(gè)星系,，它們至今仍在繼續(xù)向四面八方飛散開(kāi)去。1948年,，美籍俄裔物理學(xué)家蓋莫夫繼承并發(fā)展了這種想法,。他計(jì)算了那次爆炸的溫度，計(jì)算了應(yīng)該有多少能量轉(zhuǎn)化成各種基本粒子,，進(jìn)而又怎樣變成了各種原子,，等等,。后來(lái)，人們把最初那個(gè)爆發(fā)性的開(kāi)端稱(chēng)為“大爆炸”,，這種理論則稱(chēng)為大爆炸宇宙論,。

▲大爆炸和宇宙演化示意圖。圖的頂部象征著大爆炸,，右側(cè)的一列數(shù)字代表從大爆炸起算所經(jīng)歷的時(shí)間,，左邊的文字表示相應(yīng)于這些時(shí)刻宇宙中出現(xiàn)的物體

幾十年來(lái)，大爆炸宇宙論成功地解釋了眾多的天文觀測(cè)事實(shí),，因而成為當(dāng)代最有影響的一種宇宙理論,。與此同時(shí)，它也依然面臨著不少尚待解決的新難題,。為此,，人們從20世紀(jì)80年代初以來(lái)，先后提出了一系列新奇的思想：暴漲宇宙,、量子宇宙,、弦論、超引力,、萬(wàn)物至理,、M-理論、膜世界等等,。在宇宙學(xué)家們的這些戰(zhàn)役中,，身殘志堅(jiān)的霍金乃是一位斗志昂揚(yáng)的領(lǐng)軍人物，后文還會(huì)再次談到這一點(diǎn),。

霍金真正的研究工作是從黑洞和奇點(diǎn)開(kāi)始的,。“黑洞”這個(gè)名稱(chēng),，起初由美國(guó)著名物理學(xué)家約翰·惠勒于1969年正式提議使用,。那么，究竟什么是“黑洞”呢,？

“黑洞”這個(gè)名稱(chēng)的第一個(gè)字“黑”,，表明它不向外界發(fā)射和反射任何光線或其他形式的電磁波。因此人們無(wú)法看見(jiàn)它,，它是“黑”的,。第二個(gè)字“洞”，是說(shuō)任何東西只要一進(jìn)入它的邊界,，就休想再溜出去了,，它活像一個(gè)真正的“無(wú)底洞”。

假如用一盞威力巨大的探照燈向黑洞照去，它是不是就原形畢露了,？不,。射向黑洞的光無(wú)論有多強(qiáng)，都會(huì)被黑洞全部“吞噬”,，不會(huì)有一點(diǎn)反射,。“洞”之“黑”依然如故,。

黑洞并非科學(xué)家們?cè)谝灰怪g突然想到的,。早在1798年，法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯就根據(jù)牛頓的力學(xué)理論推測(cè)：“一個(gè)密度像地球,、直徑為太陽(yáng)250倍的發(fā)光恒星,，在其引力作用下，將不允許它的任何光線到達(dá)我們這里,?！睂?duì)這些話(huà),，可以作如下的理解——

宇宙飛船要脫離地球進(jìn)入行星際空間,，速度至少要達(dá)到11.2千米/秒，否則它就擺脫不了地球引力的束縛,。這11.2千米/秒的速度,，就是一個(gè)物體從地球引力場(chǎng)中“逃逸”出去必須具備的最低速度，稱(chēng)為地球的“逃逸速度”,。太陽(yáng)的引力比地球強(qiáng)得多,，因此太陽(yáng)的逃逸速度要比地球的大得多，等于618千米/秒,。如果一個(gè)天體的逃逸速度達(dá)到或超過(guò)了光速,，那么就連光線也不可能逃逸出去了。這樣的天體就是黑洞,。宇宙間沒(méi)有任何物體的速度能超過(guò)光速,。既然連光都逃不出黑洞，那么其他一切東西當(dāng)然也就逃不出去了,。

隨著科學(xué)的發(fā)展,，人們對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)逐漸深入。如今,，關(guān)于黑洞的更正確的說(shuō)法是：“黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種特殊天體,，它的基本特征是有一個(gè)封閉的邊界，稱(chēng)為黑洞的‘視界’,；外界的物質(zhì)和輻射可以進(jìn)入視界,，視界內(nèi)的東西卻不能逃逸到外面去。”

▲人們經(jīng)常用這種圖示來(lái)解釋廣義相對(duì)論：放在有彈性的橡皮布上的重物,，代表一顆恒星或整個(gè)星系,，橡皮布上的網(wǎng)格代表4維時(shí)空。重物的質(zhì)量越大,，時(shí)空就凹陷得越深,，從重物近旁經(jīng)過(guò)的東西也越難逃脫落到該重物上的厄運(yùn)

因此，黑洞的視界宛如一道單向的邊界,，人們有時(shí)稱(chēng)之為“單向膜”,，進(jìn)入視界的光或任何物體都不能復(fù)出。

黑洞是看不見(jiàn)的,。然而,，天文學(xué)家推測(cè)，在X射線波段仍有可能探測(cè)到雙星系統(tǒng)內(nèi)的黑洞,。因?yàn)楫?dāng)一顆正常恒星的外層物質(zhì)流向它的大質(zhì)量致密伴星時(shí),，這些物質(zhì)就會(huì)形成一個(gè)發(fā)出X射線的吸積盤(pán)。倘若這個(gè)大質(zhì)量伴星是一顆中子星,，那么當(dāng)吸積盤(pán)中的物質(zhì)最終撞向這顆中子星的固態(tài)表面時(shí),，就會(huì)發(fā)出更多的高能X射線。但是,，倘若大質(zhì)量伴星是一個(gè)黑洞,，那么當(dāng)吸積盤(pán)中的物質(zhì)非常接近黑洞的視界時(shí)，所發(fā)出的大部分X射線就都將掉進(jìn)這個(gè)黑洞,。這說(shuō)明,，由于視界的限制，黑洞雙星的X射線輻射要比中子星雙星暗得多,。

▲在觀測(cè)兩類(lèi)不同的X射線雙星時(shí),，可以發(fā)現(xiàn)其中之一（大質(zhì)量伴星是中子星）的亮度要比另一種（大質(zhì)量伴星是黑洞）的亮上百倍

黑洞這種“只進(jìn)不出”的秉性，使它有了一個(gè)不雅的外號(hào)：“太空中最自私的怪物”,。但是,，20世紀(jì)70年代，以霍金為首的一些學(xué)者基于量子理論,，對(duì)黑洞作了更縝密的考察,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑洞還具有另一種出乎始料的特征，即它會(huì)像“蒸發(fā)”那樣穩(wěn)定地向外發(fā)射粒子,?？紤]到這種“蒸發(fā)”，黑洞就不再是絕對(duì)“黑”的了,。

霍金還證明,，每個(gè)黑洞都有一定的溫度,，而且溫度的高低和黑洞的質(zhì)量成反比。也就是說(shuō),，大黑洞的溫度很低,，蒸發(fā)也很微弱；小黑洞的溫度很高,，蒸發(fā)也很強(qiáng)烈,，類(lèi)似劇烈的爆發(fā)。一個(gè)質(zhì)量像太陽(yáng)那么大的黑洞,，大約需要1066（即“1”后面跟著66個(gè)“0”）年才能蒸發(fā)殆盡,；但是質(zhì)量和一顆小行星相當(dāng)?shù)男『诙矗瑓s會(huì)在10-22（小數(shù)點(diǎn)后面21個(gè)“0”再跟上一個(gè)“1”）秒內(nèi)蒸發(fā)得干干凈凈,。

今天我們知道,，所有這些，在研究天體和宇宙的起源和演化時(shí),，都具有非同尋常的重要性,。回想當(dāng)初,，卻是西阿瑪和彭羅斯將霍金引上了通向黑洞之路,。事情的起因是——

西阿瑪經(jīng)常安排學(xué)生參加重要的學(xué)術(shù)活動(dòng)。1964年,，也就是霍金取得博士學(xué)位的前一年,，在倫敦舉行的一次研討會(huì)上,，彭羅斯介紹了自己用新的數(shù)學(xué)方法證明了：如果一顆恒星在自身引力作用下最終坍縮成為一個(gè)黑洞,，那就必然會(huì)存在奇點(diǎn)。

“奇點(diǎn)”究竟是什么東西,？一般說(shuō)來(lái),，在數(shù)學(xué)上，奇點(diǎn)是數(shù)學(xué)函數(shù)無(wú)法定義的點(diǎn),，在該點(diǎn)函數(shù)值發(fā)散至無(wú)窮大,。而在廣義相對(duì)論中，奇點(diǎn)是時(shí)空的一個(gè)區(qū)域,，在這個(gè)區(qū)域中時(shí)空彎曲得如此厲害,，甚至廣義相對(duì)論中的定律都不再有效。

▲黑洞和奇點(diǎn)的藝術(shù)創(chuàng)意圖,，其中奇點(diǎn)被描繪成黑洞深處的一個(gè)黑點(diǎn),。圖中共畫(huà)出五條光線，外面的三條因受黑洞的引力作用而依次彎曲得越來(lái)越厲害,，但最終都還是離開(kāi)了,。第四條光線恰好處于既未落入黑洞、又不能遠(yuǎn)走高飛的臨界狀態(tài)，它將長(zhǎng)久地繞著這個(gè)黑洞打轉(zhuǎn),。最里面的第五條光線完全被黑洞俘獲,，永遠(yuǎn)不能復(fù)出

霍金認(rèn)真思考了彭羅斯的工作，若有所悟,。他對(duì)西阿瑪說(shuō)：“如果把彭羅斯的‘奇點(diǎn)理論’用到整個(gè)宇宙上,，而不僅僅用在黑洞里，那又會(huì)發(fā)生什么事情呢,？”

西阿瑪意識(shí)到霍金的想法非同尋常,，十分贊同就將它作為霍金的博士論文題目。這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題,，但困難正好激發(fā)了霍金的興趣和熱情,。正如他后來(lái)所說(shuō)的那樣：“我一生中第一次開(kāi)始努力工作。出乎意料的是,，我發(fā)現(xiàn)自己喜歡它,。”

霍金努力學(xué)習(xí)有關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí),，奮戰(zhàn)幾個(gè)月完成了這篇博士論文,。論文的精華，是得出了非常重要的結(jié)論：如果廣義相對(duì)論是正確的,，那么過(guò)去必然曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)奇點(diǎn),，這就是時(shí)間的開(kāi)端。這個(gè)奇點(diǎn)之前存在的任何事物,，都不能被認(rèn)為是這個(gè)宇宙的一部分,。

通過(guò)答辯，23歲的斯蒂芬成了霍金博士,。接著,，他成為劍橋大學(xué)岡維爾-凱斯學(xué)院的研究員。從1966年起,，著名科學(xué)史家,、漢學(xué)家李約瑟出任該學(xué)院的院長(zhǎng)，直至1976年退休,。1977年,，霍金升任教授。

在宇宙學(xué)的星空中,，霍金這顆超新星的能量和光輝簡(jiǎn)直令人目瞪口呆,。

1965年7月14日，霍金和簡(jiǎn)登記結(jié)婚,。翌日,，他們?cè)趧虼髮W(xué)三一學(xué)院的一個(gè)教堂舉行婚禮,。

▲斯蒂芬·霍金和簡(jiǎn)·懷爾德的婚禮照?；艚鹕磉吺撬母改?，簡(jiǎn)的身旁是她的雙親

婚后一個(gè)星期，霍金接到邀請(qǐng),，出席美國(guó)康內(nèi)爾大學(xué)舉辦的一次學(xué)術(shù)會(huì)議,。簡(jiǎn)隨同前往，目睹了理論物理學(xué)家們高度抽象的思維方式,，以及他們之間的激烈爭(zhēng)辯,。在這種場(chǎng)合下，他們的妻子很容易就被忽視了,。簡(jiǎn)不由得產(chǎn)生了這樣的感覺(jué)：“物理學(xué)似乎以這種或那種方式使物理學(xué)家的妻子都做出了犧牲……她們實(shí)際上都已經(jīng)成了寡婦——物理學(xué)的寡婦,。”然而,，今后生活的無(wú)比艱難,，還遠(yuǎn)非簡(jiǎn)在當(dāng)時(shí)所能想象。

1965年是霍金的幸運(yùn)年,。這年冬天,，他以論文《奇點(diǎn)和時(shí)空幾何學(xué)》與彭羅斯分享了“亞當(dāng)斯獎(jiǎng)”。這一獎(jiǎng)項(xiàng)的科學(xué)地位很高,，霍金23歲就獲此殊榮,，真讓他的同伴們贊嘆不已。西阿瑪欣喜地告訴簡(jiǎn)說(shuō),，霍金的前程將有如牛頓那樣輝煌,。這令簡(jiǎn)驚喜非凡。她衷心地感激這位導(dǎo)師的坦率和誠(chéng)摯,。

但是,，霍金的身體狀況很令人擔(dān)憂(yōu),。1966年初,，霍金夫婦住進(jìn)了劍橋大學(xué)小圣瑪麗胡同6號(hào)，他們的臥室在二樓,。隨著病情加劇,，霍金上樓越來(lái)越艱難了。到后來(lái),，他每次要花15分鐘才能把自己的身體拖到二樓,。然而，他堅(jiān)決拒絕別人幫助,。他覺(jué)得,，每一次屈服都意味著他將永遠(yuǎn)喪失一種生活能力,。

1967年5月28日晚10時(shí)，霍金和簡(jiǎn)迎來(lái)了他們的第一個(gè)兒子——羅伯特,。在此之前兩個(gè)月,，簡(jiǎn)實(shí)現(xiàn)了自己對(duì)父親的承諾，完成在倫敦大學(xué)的學(xué)業(yè),，獲得了學(xué)士學(xué)位,。

1967年7月17日，霍金夫婦帶著滿(mǎn)月未久的羅伯特,，去美國(guó)西雅圖的巴特爾紀(jì)念研究所參加一個(gè)暑期討論班,。在那里，霍金直觀把握復(fù)雜概念的能力,，想象多維數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的才能,，連同他深遠(yuǎn)的洞察力和非凡的記憶力，受到了人們的高度重視,。他的威信如日東升,。

1969年，霍金受聘劍橋大學(xué)岡維爾—?jiǎng)P斯學(xué)院的一個(gè)特殊職位——科學(xué)名人研究職位,，任期6年,。而與此同時(shí)，霍金走路已經(jīng)十分困難,。終于,，他作出了讓步，同意以輪椅代步,。

1970年11月2日上午8時(shí),，羅伯特增添了一個(gè)妹妹——露西。簡(jiǎn)堅(jiān)忍不拔地獨(dú)力支撐全家,，照料殘疾的丈夫和兩個(gè)幼小的孩子,。

霍金的研究需要用到大量極復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程式，但他的手既不能打字,，也無(wú)法書(shū)寫(xiě),。這就迫使他把一切都記在大腦中。他的一位朋友曾說(shuō)：

“在最近的一次研討會(huì)上,，人們看到黑板上寫(xiě)滿(mǎn)霍金那些像五線譜一樣復(fù)雜的數(shù)學(xué)式子,，一定會(huì)想到他就有如莫扎特在頭腦中創(chuàng)作和演奏一部完整的交響樂(lè)?！?/p>

1973年,，霍金和喬治·埃利斯合著的《時(shí)空的大尺度結(jié)構(gòu)》由劍橋大學(xué)出版社出版。它很深?yuàn)W,，直到今天仍被視為宇宙學(xué)領(lǐng)域中的經(jīng)典,。31歲的霍金,，學(xué)術(shù)地位已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)固。

此時(shí),，霍金和彭羅斯也已證明：兩個(gè)黑洞相撞時(shí)將會(huì)合并,，合并后形成的那個(gè)新黑洞的表面積決不會(huì)小于原先那兩個(gè)黑洞的表面積之和。

這種情形,，使霍金想到了著名的熱力學(xué)第二定律：在一個(gè)封閉系統(tǒng)中,，分子運(yùn)動(dòng)的 “無(wú)序”程度只會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。例如,，一滴墨水滴入一缸清水中,，墨水不久就會(huì)擴(kuò)散到整缸水里。而另一方面,，已經(jīng)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)的墨水卻決不可能自動(dòng)重新聚攏成一滴,。物理學(xué)家將水缸中墨水“無(wú)序運(yùn)動(dòng)的程度”稱(chēng)為“熵”。熵越大,，就越?jīng)]有秩序,。熱力學(xué)第二定律說(shuō)的就是：

“一個(gè)封閉系統(tǒng)中的熵，只會(huì)增大,，不會(huì)減小,。”

霍金將黑洞的“表面積只會(huì)增大”與封閉系統(tǒng)的“熵只會(huì)增大”聯(lián)系起來(lái),。這一超越前人的思想使他興奮異常:“我對(duì)自己的發(fā)現(xiàn)是如此激動(dòng),，以致當(dāng)天幾乎徹夜未眠?！钡诙煲辉?，他就把這一想法告訴了彭羅斯。

▲進(jìn)入21世紀(jì)后,，古稀之年的彭羅斯依然是活躍在宇宙學(xué)和黑洞研究前線的一員驍將

后來(lái),，霍金的這一發(fā)現(xiàn)被稱(chēng)為黑洞的“面積定律”。 

20世紀(jì)初,，物理學(xué)中出現(xiàn)了兩個(gè)意義深遠(yuǎn)的重要理論：一個(gè)是研究時(shí)空,、引力和宇宙結(jié)構(gòu)的相對(duì)論，另一個(gè)是研究原子微觀結(jié)構(gòu)的量子力學(xué),?；艚鹬暗脑S多物理學(xué)家——包括愛(ài)因斯坦，都曾試圖將這兩種理論統(tǒng)一起來(lái),，但是失敗了。剛過(guò)而立之年的霍金,，通過(guò)對(duì)黑洞的研究,，朝相對(duì)論和量子力學(xué)的統(tǒng)一邁出了重要的一步,。事情的經(jīng)過(guò)是這樣的——

1973年9月，霍金在莫斯科訪問(wèn)了蘇聯(lián)著名物理學(xué)家和宇宙學(xué)家澤爾多維奇,。當(dāng)時(shí),，澤爾多維奇的研究小組正在探索黑洞的量子力學(xué)問(wèn)題。同這個(gè)小組的討論,，對(duì)霍金很有啟發(fā),。原來(lái)，澤爾多維奇早在1969年就意識(shí)到旋轉(zhuǎn)的黑洞應(yīng)該發(fā)出輻射,，這種輻射應(yīng)該是廣義相對(duì)論和量子理論的結(jié)合物或半結(jié)合物,。澤爾多維奇相信，輻射基本上由黑洞的旋轉(zhuǎn)能量產(chǎn)生,；黑洞發(fā)出輻射損失了能量,，致使旋轉(zhuǎn)變慢，最后輻射也會(huì)漸趨停止,。

霍金覺(jué)得澤爾多維奇的解釋不能令人完全信服,。于是，他用自己的方式重新思考了這個(gè)問(wèn)題,。他埋頭計(jì)算了兩個(gè)多月,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于量子力學(xué)效應(yīng)，黑洞會(huì)向外噴射物質(zhì)和輻射,。這種“黑洞輻射”使黑洞喪失能量和物質(zhì),，因而變得越來(lái)越小。而黑洞越小,，輻射活動(dòng)就越劇烈,。因此，結(jié)論必然是：黑洞遲早會(huì)以一場(chǎng)爆炸而告終,。

1974年初,，霍金將這一切告訴了馬丁·里斯。里斯正巧遇到西阿瑪,，遂急切地對(duì)自己的恩師說(shuō)：

“您聽(tīng)說(shuō)了嗎,？一切都不同了，霍金改變了一切,?！?/p>

里斯解釋說(shuō)，霍金發(fā)現(xiàn)：由于量子力學(xué)效應(yīng),，黑洞像熱體那樣輻射,，所以黑洞不再是黑的了！這就使得熱力學(xué),、廣義相對(duì)論和量子力學(xué)有了新的統(tǒng)一,，“這將改變我們對(duì)物理學(xué)的理解,！”

1974年3月1日，英國(guó)的權(quán)威性學(xué)術(shù)刊物《自然》（Nature）刊登了霍金的論文,，題為“黑洞爆炸,？”。文中嚴(yán)密地表述了關(guān)于黑洞輻射的新發(fā)現(xiàn),。不少人認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)是近年來(lái)理論物理學(xué)最重要的進(jìn)展,，西阿瑪也言簡(jiǎn)意賅地說(shuō)：

“霍金的論文是物理學(xué)史上最漂亮的論文之一?！?/p>

從此,，霍金發(fā)現(xiàn)的這種黑洞輻射就被稱(chēng)為“霍金輻射”。從此,，人們也開(kāi)始稱(chēng)霍金為“當(dāng)今的愛(ài)因斯坦”,，“黑洞的主宰者”，甚至“宇宙的主宰”,。

▲霍金的轎車(chē),，車(chē)尾的不干膠字條上寫(xiě)著：“黑洞是看不見(jiàn)的”

1974年3月中旬，霍金和簡(jiǎn)獲悉,，他將被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員,。對(duì)英國(guó)科學(xué)家而言，這是一種至高的榮耀,。一名32歲的年輕人居然獲此殊榮,，在歷史上相當(dāng)罕見(jiàn)。

5月2日,，在倫敦,，皇家學(xué)會(huì)大講堂里舉行了隆重的入會(huì)儀式，新會(huì)員一個(gè)接著一個(gè)走上講臺(tái),，在入會(huì)簿上簽名,。論到霍金了，有人把簽名簿從講臺(tái)上遞下來(lái),，霍金坐在輪椅中簽上自己的名字,。他在熱烈的掌聲中露出微笑，簡(jiǎn)也感動(dòng)得熱淚盈眶,。

霍金的身體每況愈下,，他的言語(yǔ)變得含混不清。身為基督教徒的簡(jiǎn)對(duì)此感到茫然,，不禁悲嘆道：“只有發(fā)生奇跡,，才能解決我們面對(duì)的問(wèn)題。我當(dāng)然不能指望從大彌撒的濃濃香氣中得到一個(gè)奇跡?！?br>

后來(lái),，她想到一個(gè)不尋常的主意：請(qǐng)霍金的研究生來(lái)家同住,。他們幫助霍金穿衣,、洗澡、上下汽車(chē),，等等,，回報(bào)則是免收房租以及霍金對(duì)他們學(xué)業(yè)的關(guān)注。就這樣,，卡爾和阿德斯兩人住到了霍金家里,。大家覺(jué)得這對(duì)雙方都有益。

這時(shí),，美國(guó)加州理工學(xué)院的基普·索恩給霍金發(fā)來(lái)邀請(qǐng)信,，請(qǐng)他作為訪問(wèn)學(xué)者到那里工作一學(xué)年。學(xué)院提供的條件相當(dāng)優(yōu)越,，霍金全家同往,，連電動(dòng)輪椅、理療都作了最妥善的安排,，而且卡爾和阿德斯兩人也同時(shí)被邀,。

1974年8月27日，霍金一家四口同上述兩名學(xué)生飛抵洛杉磯,。有了電動(dòng)輪椅,，霍金行動(dòng)就自由多了。它可以比先前的輪椅跑得更快,，只是其固體凝膠電池很重,，遇到臺(tái)階要人抬就很吃力。

科學(xué)家往往喜歡為嚴(yán)肅的事情增添些許幽默,。例如,，為尚未揭曉的科學(xué)疑謎打賭?；艚鹜鞫鞔蜻^(guò)三次賭,，第一次是在1974年12月，賭的是：天鵝座X-1中是否包含一個(gè)黑洞,。

▲天鵝座X-1中央是否有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞,？

天鵝座X-1是位于天鵝座中的一個(gè)著名的X射線源。索恩認(rèn)為那里有一個(gè)黑洞,，霍金則認(rèn)為沒(méi)有,。他們立下賭狀：如果那里真有黑洞，霍金就給索恩訂一年的《閣樓》雜志；如果沒(méi)有黑洞,，索恩就給霍金訂4年的《私家偵探》雜志,。

其實(shí)，按照霍金本人的黑洞理論,，天鵝座X-1中是應(yīng)該有黑洞的,，但他故意把賭注下在“沒(méi)有黑洞”上。打賭的結(jié)果是索恩贏了,，他按時(shí)收到了霍金為他訂的《閣樓》雜志,；而這恰好也說(shuō)明霍金的黑洞理論原本是正確的。

1991年12月24日,，霍金和索恩又為“宇宙中是否存在‘裸奇點(diǎn)’”打賭,。前文曾談及，奇點(diǎn)是這樣的一個(gè)點(diǎn),，在這個(gè)點(diǎn)上我們熟知的物理學(xué)定律不再奏效,。“裸奇點(diǎn)”則指赤裸的奇點(diǎn),，沒(méi)有任何東西包圍著它,。

霍金認(rèn)為奇點(diǎn)只能存在于黑洞之中，它不可能是“裸”的,。索恩的看法則相反,，站在他一邊的還有普雷斯基爾。這一次的賭注是：如果霍金輸了,，他要付給索恩和普雷斯基爾100英鎊,；如果他贏了，對(duì)方付給他50英鎊,。與此同時(shí),，輸方還要給贏方一件 “以蔽裸體” 的衣裳。

霍金又輸了,。但他不服氣,，拒不支付那100英鎊。不過(guò),，他還是給了索恩和普雷斯基爾每人一件“以蔽裸體”的T恤,，上面寫(xiě)著“自然界憎恨裸奇點(diǎn)”。

▲霍金打賭輸給索恩和普雷斯基爾的T恤衫

霍金這次只是“半認(rèn)輸”,，他只承認(rèn)在“特殊情況”下可以形成裸奇點(diǎn),，但在“一般情況”下，裸奇點(diǎn)還是被禁止的,。

霍金認(rèn)為,，黑洞不能向外界釋放任何信息,；一個(gè)天體如果最后坍縮成一個(gè)黑洞，那么它的大量信息就從此完全喪失,。這稱(chēng)為“黑洞信息佯謬”,。倘若情況果真如此，那么大自然就有了更大的不確定性,。

這里所說(shuō)的不確定性,，涉及量子力學(xué)中的一條基本原理，即德國(guó)物理學(xué)家海森堡于1927年首先提出的“不確定關(guān)系”,。這一“關(guān)系”表明,，一個(gè)微觀粒子的某些物理量,，例如位置和動(dòng)量,，不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值。其中一個(gè)量愈確定,，另一個(gè)量的不確定程度就愈大,。假如我們獲知某一微觀粒子的速度（或動(dòng)量）具有某個(gè)相當(dāng)精確的數(shù)值，那么它在該時(shí)刻的空間位置必然就相當(dāng)?shù)夭淮_定,，以至于我們只能說(shuō)出它位于某處的可能性（即概率）有多大,，而不可能確定它究竟處在空間的哪一點(diǎn)上。

愛(ài)因斯坦不贊成上述這種基于“概率”的詮釋,。對(duì)此,，他有一句名言：“我不相信上帝會(huì)玩擲骰子的游戲！”

丹麥物理學(xué)大師尼爾斯·玻爾反駁道：“你怎么知道上帝不擲骰子呢,？”

霍金的見(jiàn)解則仿佛在說(shuō)：“上帝不僅擲骰子,，有時(shí)他還把骰子擲到了沒(méi)法看見(jiàn)的地方?！?/p>

但是,，索恩和普雷斯基爾認(rèn)為，黑洞可以隱藏它內(nèi)部的信息,。于是,，他們?cè)?997年2月5日同霍金就“黑洞到底能不能釋放信息”打賭。當(dāng)時(shí)霍金的手早已不能寫(xiě)字,，便在賭狀上按了指印,。賭注是一本《棒球百科全書(shū)》?；艚鹪?004年7月21日正式認(rèn)輸,，他承認(rèn)：“上帝沒(méi)有把骰子擲到我們無(wú)法看見(jiàn)的地方去?！?/p>

科學(xué)家們憑借各自的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)就尚未證實(shí)的猜想打賭,，可以說(shuō)是醉翁之意不在酒：他們看重的并非賭注,，而是期望早日查明事實(shí)真相。這也是科學(xué)家們?cè)诰o張的勞動(dòng)之余,，樂(lè)于進(jìn)行的一種情趣高雅的消遣,。我們可以看到，像霍金這樣的智者,，也不乏失誤的時(shí)候,。科學(xué)就是在不斷嘗試和失敗中發(fā)展起來(lái)的,，愛(ài)因斯坦和牛頓,，不也都犯過(guò)這樣那樣的錯(cuò)誤嗎？

【本文節(jié)選自《巨匠利器——卞毓麟天文選說(shuō)》,，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲取授權(quán),，并注明出處?！?/p>

▲卞毓麟：1965年南京大學(xué)天文學(xué)系畢業(yè),。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)客座研究員，中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng),，上?？萍冀逃霭嫔珙檰?wèn)、編審,。著譯圖書(shū)30余種,，《追星——關(guān)于天文、歷史,、藝術(shù)和宗教的傳奇》一書(shū)獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng),。曾獲全國(guó)先進(jìn)科普工作者、全國(guó)優(yōu)秀科技工作者等多種表彰,。