圖片來(lái)源：劍橋大學(xué)官網(wǎng)(http://www./stephenhawking)

作者 | 鄢盛豐,，蔡一夫（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

每年3月14日是物理學(xué)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(dāng)天中午就餐的時(shí)候,，看到朋友分享了一條英國(guó)廣播公司(BBC)的消息：“突發(fā)新聞：物理學(xué)家史蒂芬·霍金去世，享年76歲”,。

霍金去世的消息也立刻被國(guó)內(nèi)各大官方媒體轉(zhuǎn)載,，社交平臺(tái)上頻頻轉(zhuǎn)發(fā)，熱度居高不下,。很難相信在如今娛樂(lè)至死的年代,，這是大家在悼念一位思考宇宙起源的物理學(xué)家。這種景象在歷史上也發(fā)生過(guò),，同樣是在英國(guó),，也是位出身劍橋大學(xué)的科學(xué)家——牛頓。在他的葬禮時(shí),，倫敦城萬(wàn)人空巷,，各個(gè)貴族爭(zhēng)相去抬他的靈柩。當(dāng)時(shí)法國(guó)大思想家伏爾泰也在現(xiàn)場(chǎng),，并被人們對(duì)理性和科學(xué)的尊敬所震撼,。

人們將霍金稱為當(dāng)代的牛頓、愛因斯坦,，天才,，科普網(wǎng)紅…… 但是無(wú)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(guò)探索宇宙的物理學(xué)家,。

霍金出生于1942年1月8日,，正好是伽利略逝世300周年紀(jì)念日(會(huì)不會(huì)給人一種被欽定的感覺？),。他17歲進(jìn)入牛津大學(xué),，20歲時(shí)獲得學(xué)士學(xué)位，同年進(jìn)入劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位,。他起初想師從宇宙學(xué)大師弗雷德·霍伊爾,，可后來(lái)給他安排的導(dǎo)師是丹尼斯·西阿馬，這兩位宇宙學(xué)家對(duì)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(xué)家,，對(duì)霍金有極大的幫助與激勵(lì)。1973年,，霍金和同門師兄喬治·埃利斯一起出版了專著《時(shí)空的大尺度結(jié)構(gòu)》，并以此獻(xiàn)給他們的導(dǎo)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(fèi)曼工作的啟發(fā)給出了相應(yīng)的霍伊爾-納里卡理論?；艚鹱x博的時(shí)候?qū)粢翣柕睦碚摲浅８信d趣,，并做了詳細(xì)計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中產(chǎn)生了矛盾,，并在霍伊爾的一次報(bào)告中當(dāng)面指了出來(lái),。他后來(lái)將這些內(nèi)容都寫進(jìn)了他的博士畢業(yè)論文《膨脹宇宙的性質(zhì)》，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(diǎn)卻是最后一章,，即對(duì)宇宙學(xué)奇點(diǎn)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(shí)被確診患上了漸凍癥，之后逐漸全身癱瘓無(wú)法言語(yǔ),。但他憑借著極為頑強(qiáng)的毅力活了下來(lái),。他組建了家庭（不止一次），獲得了博士學(xué)位,，而后又獲得了教職,，并逐步成為了當(dāng)今世界上最偉大的物理學(xué)家之一。

從1979年開始,，霍金被授予劍橋大學(xué)的盧卡斯數(shù)學(xué)教授一職,。盧卡斯數(shù)學(xué)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(guò)該教職,?；艚鹪谶@個(gè)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(xué)建立了理論宇宙學(xué)中心(CTC)，并指出CTC的建立是為了“發(fā)展數(shù)學(xué)上自洽且可供觀測(cè)檢驗(yàn)的宇宙理論”,。

霍金的一生從未停止過(guò)對(duì)宇宙的探索,，在他做出的諸多科學(xué)貢獻(xiàn)中，有關(guān)宇宙學(xué)方面的工作為這一領(lǐng)域的發(fā)展畫上了濃墨重彩的一筆,。作為與他僅有過(guò)若干次學(xué)術(shù)交流之緣的后輩,，筆者并不認(rèn)為自己具備評(píng)價(jià)這位巨匠科學(xué)生平的資格。因此,，筆者在這里只能抱著最大的敬意對(duì)所從事的同行領(lǐng)域加以最謙遜的介紹,。

霍金在有關(guān)宇宙學(xué)方面的重要工作都是在七八十年代做出來(lái)的，主要的幾個(gè)是：宇宙學(xué)奇點(diǎn)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(xué)家羅杰·彭羅斯證明黑洞奇點(diǎn)定理的啟發(fā),，和彭羅斯一起將其應(yīng)用到宇宙上。按照廣義相對(duì)論,，如果按時(shí)間減小的方向,，宇宙將會(huì)收縮到一個(gè)能量密度無(wú)限大的點(diǎn)，該點(diǎn)就是宇宙奇點(diǎn),。在這個(gè)點(diǎn)上廣義相對(duì)論會(huì)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(xué)家需要尋找到一種比廣義相對(duì)論更為基礎(chǔ)的引力理論來(lái)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(yàn)場(chǎng),，那就是黑洞,。70年代霍金開始轉(zhuǎn)向研究黑洞動(dòng)力學(xué)，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(xué)四定律相似的黑洞四大定律,。同時(shí)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(guān)系,。然而，這些工作并沒(méi)有給出有關(guān)黑洞溫度的合理解釋,，直到1974年霍金導(dǎo)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(xué),、量子力學(xué)和相對(duì)論三大領(lǐng)域交匯的地方,。

在霍金輻射中，他利用彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論,，刻畫了這樣一個(gè)圖像：在黑洞附近的真空漲落中,，可以有一對(duì)虛粒子的產(chǎn)生，其中一個(gè)將被黑洞吸收,，而另一個(gè)將獲得自由逃逸出去,，這就導(dǎo)致了黑洞能夠輻射，而且這些輻射組成了一個(gè)完美的黑體譜,。與此同時(shí),，根據(jù)能量守恒，被吸收的那個(gè)虛粒子攜帶了負(fù)能量,，于是就中和了一部分黑洞的質(zhì)量，看起來(lái)就像是黑洞蒸發(fā)了一樣,。這一重要發(fā)現(xiàn)為后來(lái)的一系列理論物理發(fā)展作了極為關(guān)鍵的鋪墊,，并帶出了有關(guān)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(diǎn),。

霍金的思考從未離開過(guò)宇宙學(xué)。在1971年的一篇文章中,，霍金提出了宇宙學(xué)中黑洞的形成機(jī)制,，認(rèn)為宇宙極早期的物質(zhì)密度擾動(dòng)可能會(huì)形成微型的黑洞。接下來(lái)的1974,、1975年,，他和他的學(xué)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(zhì)量譜的計(jì)算,。與恒星塌縮形成黑洞的傳統(tǒng)過(guò)程不同,，宇宙在極早期的量子漲落會(huì)誘生時(shí)空的曲率擾動(dòng)，從而進(jìn)一步產(chǎn)生極早期宇宙的物質(zhì)密度擾動(dòng),。當(dāng)這個(gè)密度擾動(dòng)超過(guò)一個(gè)臨界值時(shí)便會(huì)有一定概率塌縮成原初黑洞,。原初黑洞可以用來(lái)解釋暗物質(zhì)組分,，也可以用來(lái)解釋一些天文學(xué)觀測(cè)中的反常現(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(lái)宇宙學(xué)領(lǐng)域的熱門話題,。

七十年代末八十年代初，宇宙學(xué)中的暴脹學(xué)說(shuō)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,。霍金也迅速跟進(jìn)了這些進(jìn)展,，他和詹姆斯·哈特在1983年提出一個(gè)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(jié)果給出了量子宇宙學(xué)中一個(gè)極為重要的無(wú)邊界假說(shuō),。他們利用量子場(chǎng)論中的維克轉(zhuǎn)動(dòng)方法將實(shí)時(shí)間軸轉(zhuǎn)動(dòng)到虛時(shí)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(méi)有邊界,。并且在這種情況下,，宇宙可以從無(wú)邊界中浮現(xiàn)出來(lái)，并演化到一個(gè)德西特時(shí)空,。也就是說(shuō),，這為暴脹宇宙論提供了一個(gè)特定的初始條件。

除了影響深遠(yuǎn)的研究工作,，霍金能夠獲得如此聲譽(yù),，和他在科普上做出的巨大貢獻(xiàn)密不可分。是他將理論物理學(xué)家在近百年來(lái)做出的眾多晦澀難懂的杰出工作,，以生動(dòng)形象的方式呈現(xiàn)給了大眾,，讓這個(gè)星球上大多數(shù)人了解到我們目前對(duì)自己這個(gè)宇宙的認(rèn)識(shí)，也吸引了一大批青年才俊進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域,。他因杰出的科學(xué)貢獻(xiàn),，和與病魔頑強(qiáng)抗?fàn)幍慕?jīng)歷，成為了很多人的精神領(lǐng)袖,，代他行走和說(shuō)話的高科技輪椅也成為了他特有的標(biāo)志,。

由于身患?xì)埣残枰o(hù)理，再加上家庭和子女的負(fù)擔(dān),，這筆開支僅憑大學(xué)教授的工資是不夠的,。所以霍金決定抽出大量科研時(shí)間來(lái)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(shí)間簡(jiǎn)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(yǔ)言，累計(jì)銷量2500萬(wàn),，一度登上過(guò)暢銷書榜首,，超過(guò)了同期的邁克爾·杰克遜的書。出版社編輯之前給他說(shuō)“多一個(gè)公式就會(huì)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(zhì)能方程E=mc^2,。后來(lái)他還出版了《果殼中的宇宙》、《大設(shè)計(jì)》等科普著作,。2014年基于他故事改編的電影《萬(wàn)物理論》上映,，講述了他不同尋常的經(jīng)歷，引起了社會(huì)的熱烈反響,。

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