讓斯蒂芬·霍金揚名世界的發現
斯蒂芬·霍金或許是當代最著名的天才了。但是，到底是什麼使他揚名世界的呢？除了他在對抗疾病中展現出來的令人難以置信的達觀，以及他的那種讓人立刻就能辨認出來的、充滿懷舊色彩的機器合成音，還有他在動畫片《辛普森一家》和科幻電影《星際迷航》里跑龍套的角色。
是他發現了黑洞？ 還是他發現了宇宙大爆炸？又或者是，他告訴了我們時間是什麼？還是他完成了一些重大發現？不，不，不，不，這些都不是他做的。想撥開這錯綜複雜的層層迷霧，說明白他到底發現了什麼，真的是件很難的事情。霍金的傳奇經歷，掩蓋了他真正的成就。
2016年，霍金主講了里斯講座（譯者註： 里斯講座是英國廣播公司一年一度的重要講座，每年邀請名人發言）。這一邀約體現了演講者的地位：不僅僅是對這位專家在他的專業領域取得的地位的認可，還意味著他已被認為是公共知識分子的化身。因此，現在似乎正是拋開籠罩在霍金身上的光環，審視他作為物理學家的好時機。
他的天才貢獻完全配得上一個諾貝爾獎
在就誰是20世紀最偉大的物理學家而進行的幾次民意調查中，霍金要麼榜上無名，要麼排名墊底。甚至在誰是在世的最頂尖的物理學家民意調查中，也是如此。那麼，他是不是根本就不像人們吹捧的那樣呢？
恰恰相反，霍金在現代物理學中所佔的分量極為重要，只是在物理學家中有很多驚人的頭腦，而霍金只是其中之一。但是，如果將霍金在物理理論的基礎領域做出的貢獻放在一起加以考慮的話，那麼他的天才貢獻完全配得上一個諾貝爾獎。這些領域是：萬有引力理論、宇宙學、量子理論、熱力學和資訊理論。
大型天體會扭曲其周圍的時間和空間
霍金的科學生涯始於廣義相對論。這是阿爾伯特·愛因斯坦在20世紀10年代提出的萬有引力理論，以取代艾薩克·牛頓的原有理論。
牛頓關於萬有引力的觀點是，大天體都能製造出一個可以滲透到空間中的引力場，就像磁場一樣。這一引力場能夠使有質量的物體（如地球） 對另一個有質量的物體（如月球或者一個蘋果）施加一個力。但牛頓並未說明這個力到底是怎麼回事，他認為那只是自然界中的一個事實，所有有質量的物體都會創造出這樣一個場。
但是，根據愛因斯坦的廣義相對論，萬有引力並非空間中的場，而是空間本身的一種屬性。
愛因斯坦的觀點是：大天體，比如太陽，會使其周圍空間發生扭曲；這一空間的扭曲會影響到其周圍所有事物的運動。舉例來說，正是這一扭曲使得地球運行在環繞太陽的公轉軌道上，就如一顆大理石彈珠繞著一個碗的邊沿旋轉一樣。
根據愛因斯坦的理論所做的預測，其中之一就是：一個足夠大的天體，比如一顆質量足夠大的恆星，在其生命的最終階段可能在其自身引力的作用下塌陷；所有的質量將收縮成一個密度無窮大、體積無窮小的點，稱為奇點。
這一塌陷將製造出一片被萬有引力嚴重扭曲的空間，即便是光也無法逃脫。我們將其稱為黑洞。
但是很多物理學家無法相信奇點這類稀奇古怪的理論。他們認為，某些過程會幹預其中，從而阻止這一幕的發生。因此，該觀點多年來一直停滯不前。
直到1959年霍金在牛津大學開始他本科階段學習的時候，物理學家才開始認真對待這一觀點。該觀點相繼被美國新澤西州普林斯頓大學的約翰· 惠勒（據說正是他給黑洞取的名字），以及英國的羅傑·彭羅斯和蘇聯的雅可夫·澤爾多維奇仔細研究。
在物理學本科畢業後，霍金師從宇宙學家丹尼斯·夏默，開始在劍橋大學攻讀博士學位。他的注意力被這股對廣義相對論和黑洞的復甦浪潮所吸引。
也正是從此時起，霍金的非凡才智開始大放異彩。彼時，他剛剛在牛津大學啃下了一等榮譽學位，還有很多數學問題等著他去研究。同時，他也剛剛被診斷出患有肌萎縮側索硬化症。這是一種運動神經元疾病，最終將使他完全癱瘓。
霍金拓展了黑洞理論
在導師夏默的指導下，霍金開始思考宇宙大爆炸理論。該理論認為，宇宙始於一個極小的點，這個點隨後發生爆炸，從而誕生了宇宙。現在這一理論已被廣泛接受，在當時卻是頗具爭議的。
熵，就是指物質變得更加混亂
霍金意識到，宇宙大爆炸很像是黑洞塌陷的反過程。他與彭羅斯進一步發展了這一觀點。1970年，兩人共同發表了一篇論文，認為廣義相對論揭示了宇宙必然始於一個奇點。
此時，霍金的病情已經很嚴重了，即使拄著拐杖行走，對他也是一件極為困難的事。1970年年末的一個晚上，當霍金費力地爬上床的時候，他突然對黑洞有了新的領悟。當時他並不知道，他的這一領悟將激發有關黑洞的一系列發現。
霍金意識到，黑洞只可能增大，永遠不會變小。
這似乎是顯而易見的。因為，如果靠黑洞太近的話，任何物質都無法逃離，黑洞永遠只會吞噬更多物質，從而使自身獲得更大的質量。
一個黑洞的質量決定了其大小，而其大小是以視界半徑來計量的。視界是一個臨界點，越過該臨界點的任何物質都無法逃離。而且，這一邊界還將不斷地向外擴張，就像一個正在充氣的氣球一樣。
但是，霍金走得更遠。他說，黑洞永遠也不可能被分割成更小的個體，哪怕兩個黑洞相撞時也一樣。
而後，霍金做出另一個大膽的預測。他聲稱，視界永遠擴張的表面區域類似於另外一種物理常量，根據物理學，這個物理常量只能增加。
這一物理常量即為熵，它是用來度量一個系統的無序程度的。在一個晶體中，有規律地排列在一起的原子，其熵值是比較低的；而在氣體中，到處隨機漂移的原子具有較高的熵值。
根據熱力學第二定律，宇宙的總熵只可能增加，永遠不會減少。換句話說，隨著宇宙年齡的增長，宇宙也將不可避免地變得更加無序。霍金髮現，自然界的這兩條定律——黑洞表面的增長以及宇宙總熵值的增長——是如此相似。
霍金髮現黑洞會輻射能量
1970年年底，當霍金宣布他的研究成果時，一位名叫雅各布·貝肯斯坦的年輕物理學家做出了一個更為大膽的猜想：如果這兩者之間不僅僅是相似，結果又會怎樣呢？貝肯斯坦認為，可以把黑洞視界的表面作為黑洞熵值的一個度量手段。
但是，這一想法似乎是錯誤的。如果一個物體有熵值，那就意味著它必須有溫度；而如果它有溫度的話，它就會向外輻射能量。然而，黑洞的重點特徵就是沒有什麼東西能夠逃出黑洞。
出於這個原因，大多數物理學家——包括霍金——都認為貝肯斯坦的主張毫無意義。甚至貝肯斯坦自己也說，黑洞的表觀溫度不可能是真實的，因為由此會得出一個自相矛盾的結論。
但當霍金著手去證明貝肯斯坦的錯誤時，卻發現這位年輕學生是基本正確的，就像後來他承認的那樣。為了證明這一結論，他不得不設法將物理學中的兩個不同的領域——廣義相對論和量子力學——統一起來。此前，還從未有人做到這一點。
量子理論是用來描述微小到看不見的東西的，例如原子和組成原子的粒子；而廣義相對論是用來描述恆星和星系等宇宙尺度的事物的。
這兩種理論，似乎從根本上就是不相容的。廣義相對論認為，空間是光滑並且連續的，就像一張床單一樣；而量子力學堅持認為，這個世界以及其中的萬事萬物，從最小尺度上講，都是粒狀的，並形成局部不連續的塊狀。
為了統一這兩種理論，物理學家已經奮鬥了數十年。如果能夠做到這一點的話，將形成一個萬有理論。借用一句俗套的話講，萬有理論可是現代物理學的「聖杯」。
在霍金早期的科學生涯中，曾渴望對這一理論一探究竟。但是在他對黑洞進行的量子分析中，並未提出過萬有理論，而是採用了一種對現有兩種理論進行拼湊的方式。
根據量子理論，人們認為的真空事實上遠非空無一物。因為無論從哪個尺度上來講，空間都不可能是平滑和絕對空無一物的，而是生機勃勃的。
成對的粒子總是不斷地自行出現，一個由物質組成，另一個由反物質組成。粒子對中的一個帶有正能量，另一個帶有負能量。因此，從整體上講，並沒有新能量的產生。隨後，這兩個粒子彼此湮滅，而湮滅的速度如此之快，以至於我們無法直接檢測到它們。因此，它們被稱為「虛擬粒子」。
霍金認為，這些成對出現的粒子可以由「虛擬粒子」升級為「真實粒子」，但這種情況只可能發生在它們恰好出現在一個黑洞附近的時候。
在這種情況下，成對粒子中的一個有可能被吸入視界，而它的「同伴」卻滯留在外面；這個滯留在外面的粒子，隨後很可能被噴射到太空中。如果被黑洞吸入的是負能量粒子，那麼黑洞的總能量將下降，因此它的總質量也會下降。
最終的結果就是，黑洞會輻射能量（也就是人們通常所說的霍金輻射），逐漸變得越來越小。換句話說，霍金已經證明自己錯了：從根本上講，黑洞是可以變得更小的。這也就是說，黑洞會慢慢蒸發，黑洞並不是真正的黑。
更重要的是，這一收縮過程並不一定是緩慢而穩定的。
1971年，霍金提出了一個關於黑洞輻射的激進的觀點。他認為，在宇宙大爆炸過程中，一些物質團可能塌陷成小型黑洞。每個物質團可能重達數十億噸（雖然這聽起來給人一種很大的概念，但實際上它們遠比地球小得多），其形成的黑洞可能比一個原子還要小。
因為黑洞隨著其視界表面越小溫度會越高，所以這麼小的黑洞將是非常熱的，霍金將它們描述為「白熱」。它們會不斷地放射出霍金輻射，同時不斷地損失質量，直到最終消失。
因此，黑洞是不會安安靜靜地一路走下去的。一個微型黑洞會隨著它尺寸的變小越來越熱，最後，它將以相當於100萬顆百萬噸級TNT當量的氫彈發生爆炸。
霍金在1974年發表於《自然》雜誌的一篇論文中，描述了霍金輻射理論以及原始微型黑洞的爆炸。這是一個令人震驚的、充滿爭議的構思。現在，大部分物理學家都相信，黑洞的的確確會產生霍金輻射。
迄今，還沒有人設法檢測到過霍金輻射。但這並不奇怪：一個普通黑洞的溫度也就剛剛大於絕對零度，因此它以霍金輻射的方式釋放出的能量是微乎其微的。
霍金提出黑洞的消失會摧毀信息
1981年，霍金又宣布了正在消失的黑洞的另一個令人憂慮的問題。霍金說，黑洞的消失會摧毀信息。
當粒子或光線進入黑洞視界內以後，就再也不會返回了。而任何諸如粒子或光線之類的實體，都可以被認為是攜帶有信息的，例如有關粒子質量與位置的信息。這些信息也會被封鎖在黑洞里。
如果黑洞煙消雲散了，那麼對這些信息來說，又會發生什麼呢？這裡有兩種可能：它們要麼以某種形式進入霍金輻射中，要麼跟黑洞一樣永遠消失。霍金聲稱，不管哪種方式，最終都是它們消失了。
當霍金在舊金山就這一觀點發表演講時，美國物理學家倫納德· 薩斯坎德就表示了反對。他認為，如果信息從宇宙中消失，很難想像那會造成多大的混亂。他是為數不多的持有這種觀點的人之一。
我們喜歡按照先有因、後有果的方式進行想像，而不是其他什麼方式。雖然這些粒子通常在現實中並不存在，但是，從原則上來說，我們能夠以宇宙中任何粒子的現行狀態為基礎，追蹤並重建它的歷史。
然而，如果信息在黑洞中被摧毀了，我們就不可能由果到因地進行重建了。如果信息真的能夠丟失，那麼整個因果理念都將開始搖搖欲墜了。
因此，當霍金提出黑洞摧毀信息的觀點時，薩斯坎德就堅稱這絕對是錯誤的。
這場以一種相當學院派的方式進行的論戰持續了十幾年。但在1997年，它演變成了一場賭局，而這正是霍金喜歡的方式。霍金與加州理工學院的約翰·裴士基打賭，賭注是一部百科全書。霍金賭信息會消失在黑洞中，而裴士基賭事實並非如此。
2004年，在都柏林召開的一個大會上，霍金最終承認，薩斯坎德是對的，裴士基也得到了他的百科全書。但霍金以其典型的倔強性格指出，信息是以一種錯誤的形式返回宇宙的，而且這種以錯誤的形式返回的信息事實上是無法被解讀的，並且他已經對此做出了證明。
第二年，霍金髮表了一篇簡短的論文，對他的觀點做了進一步說明。但這篇論文未能說服所有人認可他的觀點。
這個小插曲有著典型的霍金風格。他大膽且才華橫溢，但有時不夠嚴謹，使大家無法完全信服。有時候，他似乎是受直覺驅動做出論斷，最終可能被證明是完全錯誤的——就如他打賭稱希格斯粒子無法通過實驗檢測到一樣。
在霍金研究黑洞的過程中，他將廣義相對論、量子理論、熱力學和資訊理論結合到了一起，這是開創性的和卓越的。他的其他研究成果都無法與此相提並論。
《時間簡史》讓霍金名揚全球
20世紀80年代，霍金試圖用量子力學術語來描述宇宙大爆炸。在與詹姆斯·哈特爾的合作中，霍金提出了一個簡單的量子力學公式，想用它來描述早期的整個宇宙。但是這個理論太過籠統，以致對許多物理學家來說，它沒有太大的意義。
然而，這個理論公式的的確確向我們揭示了一件事情，即追問宇宙的終極起源。
量子力學指出，當宇宙還是極其微小時，即不超過1幺米的十億分之一（譯者註：1幺米等於10-24米），空間和時間的界限是極其模糊的。這就意味著，在早期宇宙中，儘管時間和空間是各自獨立的，但它們的界限並沒有什麼意義。時間「起源」的概念消失在量子泡沫之中。
這是霍金在其暢銷書《時間簡史》（1988）中提出的模型，這也奠定了他作為全球名人的地位，但這一觀點仍存在爭議。
現在有這麼一種觀點，認為霍金雖然有較強的創造力，但一直是在修修補補，從某種程度上可以說是白忙活。在他職業生涯的末期，他都是在對他人的構思進行深入思考，從而形成自己的觀點。
這是霍金的勵志故事的另一面。有一種說法，認為他具有取之不盡的智慧源泉。事實上，儘管是他這樣的天才，也會像其他人一樣犯錯。他的故事是很激勵人心，但並不意味著我們就應該否定他人性的一面。
也許，這是因為我們的社會對殘疾人還有些不當的看法，使得我們對一位嚴重殘疾，卻擁有超乎常人智慧的人士，感到非常著迷。
延伸閱讀
《霍金的故事》是由菲利普？馬丁執導，本尼迪克特？康伯巴奇、邁克爾？ 布蘭登等主演的一部劇情片。
影片採用雙線敘述的手法，以霍金的劍橋生活為主線， 穿插兩位「發現宇宙大爆炸殘餘輻射」的科學家接受電視採訪的過程。電影里的霍金是一個任性、直率，但又不服輸的人。他堅持在生病期間住在公共病房，堅持在浴缸中做閉氣練習，堅持直言不諱地指出導師的錯誤，堅持一個人學習生活，堅持在心愛的簡面前逞強，堅持做自己覺得對的事情，堅持不停地思考，堅持活著，像一個健康人一樣堅持著本就屬於每一個人的尊嚴。他的任性讓他直率，他的倔強讓他從不向生命的曲折低頭。他的才華讓他出類拔萃，他對事業的熱情成為他孜孜不倦的最大動力。
成功的霍金像個天真的孩子，執拗地鑽進了他的夢想，執拗地讓全世界都聽到了他的聲音。他就像宇宙中那顆遙遠的星，儘管在黑暗的某處已經悄悄隕落，但那耀眼的光芒仍舊穿越了幾十萬光年，在我們的眼前閃耀。
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