霍金简史

刘萝卜锅

品质源于技术 服务源于态度

这是阿什卡微信公众号的第492篇原创文章

首发于2018年3月14日

▽

他21岁就被发现患上渐冻症

被称为禁锢在轮椅上的人

却上天入海  走遍全世界

他没得过诺贝尔奖

却被称为现代最伟大的物理学家之一

他的科学贡献是大是小

网上争议不断

他的盛名

究竟来自科学贡献

还是科普贡献？

他是励志明星

他是物理学明星

他是科普明星

他还是影视明星

他的形象常常出现在科幻电影里

甚至他会本色出演电影、电视剧

他对科学、社会、宇宙的思考

时常语出惊人

以至于很多人借他的名传播谣言

很多人认识霍金，是从谣言开始的：

霍金警告人类不要尝试登月

霍金预言2030年太阳休眠、地球毁灭

霍金预言50年后中国将统治世界

...

今天，霍金走了

有幸与他生活在同一个时代的我们

却不一定了解这位传奇科学家

二战正酣。

1942年1月8日，牛津，史蒂芬·霍金出生。

△  婴儿霍金在父亲怀里

幼年的他不十分出色

8岁才学会阅读

和很多男孩一样

他喜欢火车、船、飞机等各种模型

会拆，不会装

他希望知道

各种东西和系统是怎么运行的

这让他在心理上有一种可控感

以至于后来

强烈希望了解宇宙如何运行

刘萝卜锅

10岁时

霍金显现出天才的一面

他参加了“11加”考试

这是那时的教育机构

对11岁孩子的一种智力测验

把孩子分成学术型、非学术型

因材施教

学术型又分ABC组

霍金去了圣奥尔本斯学校的A组

A组当然都是优等生

而霍金在优等生里

成绩中等偏下

十六七岁的霍金

爱和朋友们讨论

物理、宗教、宇宙什么聊

霍金在数学上天分超常

他没正式学过数学

所掌握的数学知识都是自学

却做到了剑桥的卢卡斯数学教授

这是当年牛顿的席位

1959年3月

17岁的霍金拿到牛津的奖学金

这里都是天才

然而天才也分等级

霍金的成绩

飘荡在第一等和第二等的边缘上

他每天只用很少的时间学习

因为他觉得，这就够用了

直到他知道自己患了渐冻症

当考官问他将来的计划时

霍金说

如果给我第一等，我就去剑桥

如果给第二等，那我就留在牛津

于是考官给了霍金一等

也就是在牛津的最后一年

他发现自己行动变得笨拙

容易摔跤

但医生并没有看出他有什么病

1962年10月

霍金到剑桥读研究生

开始建立自己的宇宙图像。

当时

基本粒子物理学如日中天

而相对论由于没有新的实验

所以比较冷落

霍金选了相对论

他认为相对论已经很成熟了

可以用它研究和发展宇宙学

导师西阿玛把他引导到“惠勒-费因曼电动力学”

而在1964年

霍金算出它的漏洞

在稳态宇宙

所有物质的影响会造成质量无限大

那时的他

天才乍现

青春四射

随便往哪看

都是星光大道

刘萝卜锅

1963年圣诞节

霍金滑冰摔倒后站不起来

21岁那年生日刚过不久

医生告诉他

这是“肌肉萎缩性侧索硬化症”

大概只有两年可活了

消极了一段时间后

霍金幡然醒悟

时间越少

越要抓紧时间做事

这时，他邂逅了简·怀尔德

她让霍金有了生活的动力

怀尔德认为

自己找到霍金

就是为了照顾他

两个很快订了婚

问题来了：

要结婚，就要工作养家

而要工作，必须先写完博士论文

霍金在平生第一次用功

他这才发现

自己很享受努力

他申请到了剑桥基斯学院的研究奖学金

1965年7月

霍金与怀尔德结婚

1967年

第一个孩子罗伯特诞生

三年后，第二个孩子露西出生

那时

很多科学家不接受大爆炸理论

因为大爆炸理论需要一个开始一切的点

这个“创生之点”

会让人很自然地思考第一动力：

是谁让它爆炸创生

这样一个让人崩溃的问题

霍金也很崩溃

20世纪

物理学大爆发

相对论、量子论拔地而起

支撑了人类认知自然的天空

然而

宇宙学却举步维艰

为了解决宇宙膨胀等问题

人们提出稳态理论：

随着宇宙膨胀

暗物质不断被创生

然而问题是

要创生物质

需要一个负能量场

而负能量场产生物质很不稳定

1965年

宇宙微波背景辐射的发现

让稳态理论乱了阵脚

微波背景显示

宇宙早先经历过热而稠密的阶段

稳态宇宙的预言无法解释

这，更加坚定了霍金

建立新宇宙图像的决心

了解宇宙如何运行

黑洞是无法回避的问题

刘萝卜锅

1783年

剑桥的米歇尔预言

有这样一种恒星

它质量、密度够大

以至于引力场

让光都无法逃脱

因为光是粒子

不管它多轻

只要引力够强

就能减慢它的速度

最终吸引住它

然而

1887年

迈克尔逊·莫雷实验证明

不管引力多大

也不管怎么观测

光速都是不变的

没有什么可以减慢光速

于是“暗星”不可能

但是

爱因斯坦的广义相对论告诉我们

引力的本质是时空弯曲

1916年

德国的史瓦西

得到广义相对论

球对称引力场的一个严格解：

有一个神奇的存在

它密度无限大

体积无限小

时空曲率无限高

可以吞噬一切靠近它的物质

包括光

所以

美国物理学家泰勒给它起了个名：

黑洞

黑洞质量越大

囚禁光的半径就越大

围绕黑洞以这个半径形成的球面

叫做“视界”

视界内

因为光无法逃逸

所以是“全黑”的

这就意味着

谁也“看不见”它

那么问题是

有没有黑洞？

1939年

奥本海默证明

燃料耗尽的恒星

质量大于某个极限值

确实会引力坍缩

成为一个无限密度的奇点

1965年

彭罗斯证明

濒临死亡的恒星

收缩到一定半径

就会不可避免地存在奇点

不管它是不是球对称的

空间和时间

在奇点处终结

△  霍金与彭罗斯夫妇

刘萝卜锅

霍金意识到

这样的论证

可以应用到宇宙膨胀上去

广义相对论预言

宇宙应该有个开始

那就是奇点

接下来的五年里

霍金和彭罗斯、盖洛许

发展了广义相对论中的

因果结构理论

霍金把其中的一些结果

整理成了论文

在剑桥获得1966年度的亚当斯奖

以此为基础

霍金与埃里斯合著了

《时空的大尺度结构》

这是时空因果结构理论的数学框架

1970年

坐上轮椅的霍金意识到

自己为奇点定理发展的

因果结构理论

适合黑洞

黑洞的视界面积总是增加

黑洞合并

视界面积

大于两个黑洞视界面积之和

热力学有个核心概念：熵

也就是事物的混乱程度

一个孤立系统

在自然状态下

总是熵值增大

也就是越来越混乱

霍金考虑：

视界面积

就像黑洞的熵

然而

如果视界面积是黑洞的熵

那么

黑洞就应该有温度

可以发热才对

刘萝卜锅

1972年

霍金和罗宾逊证明了

“黑洞无毛”定理：

黑洞会稳定到只有两个数

也就是质量、旋转表征的态。

这再一次暗示

黑洞是有熵的

因为很多不同的恒星

会坍缩成

质量、旋转都一样的黑洞

1973年

霍金和彭罗斯证明

广义相对论会在奇点处崩溃

这就要与量子论结合起来

于是他开始攻量子论

量子论认为

真空中会产生正反虚粒子

随即相互湮灭消失

假装什么也没发生

以符合能量守恒

在黑洞视界边缘

正负粒子对产生时

其中一个被黑洞吃进去

另一个逃出生天

那么

逃跑的粒子获得了能量

这份能量

就相当于是从黑洞中偷来的

在外界看

就是黑洞在向外辐射能量

这就是“霍金辐射”

黑洞有辐射！

吃惊之余，他又发现

如果把视界面积看做熵

那么黑洞本来就该有辐射

他得到了名垂青史的黑洞熵公式：

S=(Ac3)/(4hG)

S：熵

A：视界面积

c：光速

G：牛顿引力常数

h：普朗克常数

你会发现

去掉常数

熵就是黑洞面积

一种深刻的关系浮出水面：

引力、热力；时空、熵

相约在黑洞

刘萝卜锅

这有什么了不起呢？

时间、空间

是人类思考宇宙的根本性问题

绝对时空观下的宇宙运行法则

牛顿是顶峰

爱因斯坦的相对论

颠覆了人类对时空的认识

相对论之后

时间、空间不再是绝对的

而是相对的物理量

霍金黑洞理论

把人们对世界的思考

引向一个更根本的问题：

时空、熵，哪个更基本？

未来的大统一理论

或许可以从这个思考中获得帮助

黑洞有辐射

也就是说

黑洞会被蒸发

最终消失

这很难验证

如果有个太阳那么大质量的黑洞

它的霍金温度

只有百万分之一开尔文

而即使是以微弱著称的

宇宙微波背景辐射

也有2.7开尔文之多

所以，霍金辐射

极难测量 难以验证

也就与诺奖无缘

但物理学家们

知道这些工作的分量

1974年

霍金当选为皇家学会会员

他应邀去加州理工访问

首次使用电动轮椅

1975年

从加州理工回到英国

霍金发现自己无法上楼了

剑桥安排他住进学院里

一座底层公寓

1979年

霍金当选为卢卡斯数学教授

这一年

第三个孩子蒂莫西出世

怀尔德担心霍金很快就会死去

没人养活孩子

就找了个音乐家琼斯

让他同住在一个公寓

刘萝卜锅

1980年

霍金与哈特尔提出

量子宇宙学的“无边界设想”：

宇宙的边界条件是

它没有边界

宇宙的诞生

是从一个欧氏空间

向洛氏时空的量子转变

实现了宇宙的“无中生有”

解决了“第一推动”问题

1985年

一场肺炎

让霍金不得不接受气管切开手术

气管上安了一个塑料管

这很痛苦，也很危险

因为塑料管会磨破喉咙

血液流进肺部

导致窒息死亡

后来又做了喉头切除术

去掉塑料管

这件事

霍金的护士伊莱恩·梅森贡献巨大

受这些罪

对霍金不算什么

更痛苦的是

术后，霍金失去了讲话能力

需要人指着拼写卡

指到需要的字母时

霍金扬一下眉

然后再指下一个字面

艰难地交流

加利福利亚的电脑专家沃尔托兹

帮霍金写了一套程序

霍金可以用手指

按动一个开关来选词

后来手指也不能动了

只能在眼镜上安一个传感器

通过面颊运动来选词

送到语音合成器上

转换成语音

与人交流

刘萝卜锅

因特尔为霍金提供了一套系统

每分钟可以处理3个词

霍金用它日常交流

也用它演讲

还用它写了7本书和一些论文

△  参演《生活大爆炸》

早在1982年

霍金就考虑

写一本关于宇宙的科普书

并且希望

写成人们在机场就能买到的那种书

1988年

这本书终于第一次出版

出版后

在《纽约时报》畅销书榜列名147周

在《泰晤士报》畅销书榜列名237周

现已被译成40种文字

销量超过2500万册

你知道

这就是著名的《时间简史》

此后

《黑洞和婴儿宇宙》

《果壳中的宇宙》

《大设计》等名著

一本一本写出来了

刘萝卜锅

一切似乎没那么糟

但知情人都明白

霍金徘徊在死亡的边缘

一次

霍金在深睡中缺氧

护士梅森发现

及时把他送到医院

住院四个多月

霍金带着呼吸器出院后

医生告诉梅森

霍金活不了多久了

不过

不可思议的困难

都一个一个克服了

但霍金克服不了自己的情绪

妻子与琼斯日益亲密

霍金越来越不高兴。

1990年

霍金搬出去

和护士梅森住在一起

1995年

霍金和梅森结婚

9个月后

前妻怀尔德嫁给了琼斯

△  和梅森结婚

梅森几次救了霍金的命

但这一场场危机

终于耗尽梅森的感情

2007年，梅森和霍金离婚

此后

霍金一直和管家住在一起

△  霍金主持2012年残奥会