一顆神奇的腦袋與「黑洞不黑」

2017-07-10 苟利軍 知識分子

劍橋大學的霍金教授恐怕是當今最為知名的科學家之一， 拍攝/Richard Ansett，英國國家肖像館收藏

撰文 | 苟利軍

責編 | 陳曉雪

當我們提起史蒂芬·霍金（Stephen Hawking），會想到些什麼？或許是以下這幾點。

第一，他始終以奇特的姿勢坐在一隻帶屏幕的輪椅上，曾在《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）中出現的電子聲表達著這顆偉大頭腦的所思所想，曾在《星際迷航》（Star Trek）中和牛頓、愛因斯坦一起打橋牌。第二，他的《時間簡史》（A Brief History of Time）幾乎人人皆知，據說全球已賣出幾千萬冊，躋身「銷量僅次於聖經」的幾本書之列。第三，他去年4月開通了新浪微博，更新甚少卻坐擁433萬中國粉絲。第四，在電影《萬物理論》（The Theory of Everything）中，英國男演員埃迪·雷德梅恩（Eddie Redmayne）扮演青年霍金惟妙惟肖，催人淚下，亦憑藉該片奪得2015年奧斯卡影帝。第五，霍金近年來為人類的命運深感擔憂，他一方面堅信外星生命不懷好意，人類一定要藏好自己在宇宙中的行跡，另一方面地球資源消耗殆盡，人類應加快太空殖民的計劃。就在剛剛過去的6月20日，他在挪威斯塔爾馬節(Starmus Festival)上的最新觀點是：人類需要在2020年完成月球登陸，世界各國協同努力在接下來30年內建立一個月球基地，並在2025年前將人類送到火星。

真是一顆神奇的腦袋。

「在我21歲時，我的期望變成了零。」 21歲那一年，霍金被診斷患有盧伽雷氏症，即肌肉萎縮性側索硬化症，醫生告訴他剩下的時間不會超過兩年。然而他活下來了，「自那以後，一切都變成了額外津貼」。

這筆額外津貼似乎格外豐厚，霍金如今已75歲，雖是古稀之齡，殘疾之軀，他的智慧卻依然遨遊在廣袤宇宙之中，思維活躍，不斷探尋著時間的本質、黑洞的秘密與宇宙的起源。

每年，霍金都會收到許多演講邀請，就像他剛寫完《時間簡史》時那樣。2016年初，霍金受英國廣播公司（BBC）之邀，做了兩次「里斯演講」（the Reith Lecture），總時長50分鐘，分別回顧了經典黑洞理論的研究發展史和量子黑洞理論的發展史。後來演講稿整理成書出版，取名《黑洞不是黑的》。

黑洞不是黑的，那它是什麼樣子的？視界面望遠鏡今年4月為黑洞拍的第一張照片，我們最快也要明年才能看到。在此之前，我們不妨先聽聽霍金教授是怎麼說的。

對於黑洞的理論研究，其實由來已久。愛因斯坦1915年提出廣義相對論，次年，德國物理學家史瓦西（Karl Schwarzschild）就得到了沒有角動量黑洞的精確解。1939年，美國「原子彈之父」奧本海默已在兩篇論文中討論了恆星坍縮成中心帶有一個奇點的黑洞的可能性。愛因斯坦不太認同這種可能性，他根據直覺判斷，黑洞這種天體並不存在，並寫了論文來反駁奧本海默。遺憾的是，此番爭論並未持續多久，一方面沒有黑洞存在的證據，另一方面，隨著第二次世界大戰戰火燃起，物理學家的興趣轉向了核物理，關於黑洞的討論逐漸淡出了人們視野。

所幸，人們在20世紀60年代迎來了天文學發展的黃金時代，那一時期的四大發現（星際有機分子，宇宙背景輻射，脈衝星、類星體）對於之後人類認識宇宙產生了極為深遠的影響。1964年，美國科學家在天鵝座區域偶然發現了一個非常明亮的X射線天體，這是人類於此區域發現的第一個X射線天體，卻不知其本質為何，於是天文學家將此天體命名為天鵝座X-1(Cygnus X-1)，這便是人們今天所熟知的、人類歷史上第一個黑洞候選體。

黑洞存在的證據不斷向科學家們招手，再次激發了他們研究黑洞的興趣，黑洞研究迎來了「第二春」。因推斷宇宙起源於一個奇點而出名的霍金，也開始將研究興趣從宇宙學轉向黑洞。

1973年，霍金和另外兩位物理學家合作了一篇論文《黑洞的熱力學定律》，總結了與熱力學定律相似的一系列關於黑洞的定律。該文章著重強調了一點：黑洞的溫度為絕對零度（因為沒人任何東西包括光可以逃脫黑洞，所以黑洞不會輻射），且不具有物理熵。

萬萬沒想到，就在不久後，一位初出茅廬的普林斯頓研究生雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）提出了與之相左的觀點。貝肯斯坦發現，如果黑洞不具備熵，那麼熱力學第二定律就會被違反。那樣的話，我們就可以將任意具有熵的物體扔進黑洞，而降低了外部宇宙的總熵。因此，他認為黑洞的熵必須正比於表面積，才能挽救熱力學第二定理。此項工作被認為是黑洞熱力學的開篇，貝肯斯坦也因此在2012年捧得了沃爾夫獎。

彼時的霍金教授已是名人，被一個碩士生推翻了論文或許內心不爽。不過，本著嚴謹的科學態度，1974年，霍金將量子力學應用於黑洞的視界面附近時，他發覺黑洞也能產生輻射！這個結果讓霍金驚掉了下巴，這和人們之前對於黑洞的認識完全不同。在經過多次驗證、確認結果正確無誤之後，他向世人宣布了這個大消息：黑洞具有溫度！這便是「霍金輻射」，黑洞並不像我們原來想像得那麼黑。在「霍金輻射」誕生幾周後，32歲的霍金當選英國皇家學會會員，成為了其中最年輕的幾位會員之一。

儘管「霍金輻射」極其微弱，幾乎可以忽略，但相較於原來的絕對零度，這是一個質的差別。自此，霍金將引力、量子力學和熱力學聯繫在了一起，這是理論物理學的一次偉大突破。不過，在這令人喜悅的發現背後，還隱藏著一個更深奧難測、更令人費解的科學問題：黑洞信息悖論。

黑洞輻射意味著黑洞會不斷損失質量，直至蒸發殆盡。如果是這樣，那麼落入黑洞的物體的最終命運又是什麼？廣義相對論認為，進入黑洞的信息永遠不會再出來，會隨著黑洞的蒸發而消失。那麼信息去哪了？從量子理論來看，信息是永遠不會真正消失的。自從霍金輻射被提出之日起，這個問題就一直困擾著物理學家們。

數十年來，霍金和其他物理學家始終在努力嘗試攻克這道謎題。2015年，他與同事共同提出了一個新理論——黑洞的「軟毛定理」！「軟毛定理」是什麼？它是否為我們揭示了黑洞的終極面紗？這就要靠你自己去書中尋找答案了。別擔心，這個星球上最了解黑洞的人將為你引路。

要研究黑洞，需要同時具備兩項必殺技：一是極其複雜高深的數學工具，二是非常聰明智慧的大腦。霍金不僅僅在理論層面發現了霍金輻射，還與彭羅斯一起證明了彭羅斯-霍金奇點定理（兩人憑此獲得1988年沃爾夫獎），還證明了黑洞的面積定理（黑洞的熵與黑洞面積成正比）……說他是我們這個星球上最了解黑洞的人，一點兒也不過分。

我做黑洞研究十多年，主要工作是從天文觀測角度尋找黑洞，並確認它們的存在。過去幾年裡我投身科普，在公開的講座報告中沒少跟聽眾們講起黑洞和著名的霍金輻射。讀完《黑洞不是黑的》這本小書之後，我依然感到受益匪淺。對我來說，「里斯演講」如同一堂關於宇宙探索和理論物理髮展的歷史課，主角正是神秘的黑洞，以及我們這個時代偉大的物理學家們。霍金的口才比我好太多，他把這段歷史講得清晰易懂，許多天文梗和比喻句妙趣橫生。

不管宇航員是不是會在2020年重登月球，你都該趁著仍在母星的時間，好好讀讀這本有趣料多、可以放在口袋裡的小書。許多年後，說不定你還能為留守地球或坐在飛船里的同胞們，講上一段從書中學來的黑洞探索史。

史蒂芬·霍金著，吳忠超譯，大衛·舒克曼導讀；湖南科學技術出版社出版。

製版編輯：斯嘉麗丨

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