中國同行評述霍金生平：打開物理時空的門窗

3月14日是愛因斯坦誕生139年的日子，而我們在這天失去了一位當今科學界的巨匠，現代最偉大的物理學家之一，20世紀享有國際盛譽的偉人之一——霍金。

也許是另一種巧合，在76年前的1942年1月8日，伽利略逝世300周年之際，霍金出生於英國牛津的一個知識分子家庭。童年的霍金在學業上並沒有表現出異於常人天分。1959年17歲的霍金進入牛津大學攻讀自然科學，拿到榮譽學位後轉入劍橋大學開始研究宇宙學。1963年，21歲的他不幸患上了肌肉萎縮性側鎖硬化症，也就是我們俗稱的漸凍症。當時醫生告知他只能活兩年，但病情似乎發展的要比想像中緩慢的多，堅強的霍金憑著毅力一直活了下來，並在1965年，23歲的他取得了博士學位留在劍橋大學進行研究工作。在隨後的生活和研究生涯中，霍金向人們展示出其無窮的天分和才情，在物理學術和科普著作中取得了偉大的成就。值此巨星隕落之際，我們懷著沉重的心情，緬懷星空，為大家介紹下霍金生平的一些貢獻及評價。

黑洞物理和宇宙學是霍金畢生的科研方向

霍金的研究工作涉及到引力理論研究中很多重要的問題，但他主要的研究對象和貢獻集中在黑洞物理和宇宙學。無論在經典引力還是半經典量子引力的層次上，霍金的工作幾乎都是開創性的。

經典的極致（1962---1973 ）

如同早期人類只關注於自己周圍一樣，上世紀60年代以前人們關於廣義相對論的研究主要集中在時空的局部性質。直到60年代以後，彭羅斯(R.Penrose)、霍金、蓋羅奇(R. Geroch)等人才開始利用現代數學工具來研究時空的整體性質。霍金在這方面的研究始於其攻讀博士學位期間，這可從他的博士論文---《膨脹宇宙的性質(Properties of Expanding Universe)》---中覓得一二。該論文分為四部分，第一部分對霍伊爾(F.Hoyle)等人的引力理論進行了批判，第二部分研究了宇宙微擾，第三部分研究了擴張宇宙的引力輻射，第四部分是關於宇宙奇點問題的研究。在第三部分的研究中霍金給出了一個重要的關於引力系統(准局域)能量的定義，被後來的人們命名為霍金質量。這一質量演化的單調性在說明引力輻射(引力波)是否攜帶能量的問題上給出了准局域的解釋，可看成是1962年邦迪(H.Bondi)等人關於引力輻射攜帶能量論證的一個準局域補充。第四部分的內容，旨在證明宇宙中奇點的普遍存在性，而與對稱性沒有關係。當物質場滿足強能量條件，描述宇宙的時空滿足整體雙曲等條件，則過去指向的類時測地線必然不完備，換句話說時空必然存在奇異性。這一研究可以說是「大爆炸」宇宙模型的理論的基礎。這些工作被他和合作者不斷完善和推進，陸續發表在學術雜誌上。例如1970年他和彭羅斯合作完成的關於引力塌縮和宇宙中奇異性定理的證明進一步放鬆了證明的條件。從某種意義上來說，這些研究表明愛因斯坦的引力理論的不完備性，激發了人們關於量子引力的研究。正如霍金本人所期待的：也許在量子引力的層次上奇點並不存在。

上世紀60年代末，關於黑洞經典性質的研究獲得了很大的進展。其中最重要的當數黑洞的簡單性：黑洞可以由質量、角動量、和電荷所決定。這就是人們常說的黑洞無毛定理或黑洞唯一性定理。黑洞的唯一性定理的證明需要很多引理性的子定理。其中剛性定理和拓撲唯一性定理是重要的組成部分：穩態黑洞要麼是靜態，要麼是軸對稱的，以及黑洞事件視界的截面在拓撲上是個二維球面。霍金在1972年完成了這兩個子定理的證明，為黑洞唯一性定理的證明鋪平了道路。1971年到1972年霍金又證明了黑洞事件視界截面的面積不減定理，1973年和巴丁(J.Bardeen)、卡特(B.Carter)建立了黑洞的力學四定律。這些研究不僅為用幾個參數(幾根毛)描述黑洞提供了嚴格的理論基礎(例如，LIGO理論分析中關於黑洞的描述)，給出了兩個黑洞合併過程中引力輻射攜帶出能量的上限，也啟發了人們關於黑洞量子性質的研究。例如：貝肯斯坦基於霍金的黑洞面積不減定理，提出黑洞有熵，且正比於黑洞視界截面的面積。

量子論的光輝（1974---1980s）

不僅是霍金，當時的很多物理學家都不接受貝肯斯坦的觀點：有熵，就需要有溫度，有了溫度，黑洞就會輻射。但任何物體都不能逃離黑洞，不可能有輻射，因此不可能有溫度。1973年底霍金考慮了黑洞背景上場的量子效應，他發現黑洞的確會輻射粒子(稱為霍金輻射)，且無限遠處觀測者看到輻射粒子的譜是一個黑體譜，相應的溫度正比於黑洞的表面引力。這就是黑洞的霍金溫度。霍金在確認計算的正確性後，接受的貝肯斯坦的觀點，並給出了黑洞熵的準確表達式。這個熵被人們稱為是貝肯斯坦-霍金熵。霍金的工作將黑洞力學提升為黑洞的熱力學，成為他一生中最為重要的一個工作。

霍金輻射示意圖

霍金和傑彭斯(G.Gibbons)等人隨後發展的歐幾里德量子引力是研究黑洞熱力學性質最為系統的理論。鞍點近似下，引力系統的歐幾里德作用量對應於熱力學勢。很多情況下，單純的希爾伯特-愛因斯坦作用量並不能給出正確的歐氏作用量。這時人們需要考慮傑彭斯和霍金引入的使得變分問題自洽的項，即傑彭斯-霍金項。黑洞的熱力學穩定性，熱力學相變，以及更一般的引力瞬子的熱力學也被廣泛研究。例如：在AdS引力中，著名的霍金-佩吉(D.Page)相變近些年來愈發被人們重視。霍金的工作掀起了量子引力理論的零級近似，即彎曲時空上量子場論研究的熱潮，也為檢驗一個量子引力是否成功提供了一個公認的標準---能否在量子統計的層次上解釋黑洞的貝肯斯坦-霍金熵。無論是後來的弦理論還是圈量子引力，都需要經受這一檢驗。

黑洞是一個熱力學系統，但不同於普通物質的熱力學。最明顯的一個特徵是：貝肯斯坦-霍金熵正比於黑洞視界的面積，而不是體積。近20年來，基於霍金和貝肯斯坦的熵公式，人們提出了引力的全息性質—一個引力系統等價於其邊界上沒有引力參與的一個量子系統, 並成為高能物理和引力理論研究中最為活躍的領域之一。無論在時空觀的變革還是引力的本質的理解上，引力的全息性質都提供了深刻的啟示。引力的這一性質可以說是霍金關於黑洞研究的延伸，並成為量子引力的一個基本原理。

信息丟失的疑難（1974---2018）

黑洞的霍金輻射意味著這黑洞具有熵，解決了惠勒(J.Wheeler)提出的存在黑洞的宇宙中總熵丟失的問題。但霍金輻射的存在同時又提出了信息丟失的疑難。由能量守恆，霍金輻射使得黑洞質量不斷減少，最終黑洞會變成一堆熱輻射。這就是黑洞的蒸發。事實上，霍金在1974年便已經研究了黑洞蒸發的問題。假定在無限遠過去形成黑洞的物體處於純態，黑洞形成並蒸發後，系統完全處於混合態。這樣，形成黑洞物體的信息丟失了，這就是黑洞的信息丟失問題。由純態到混合態，這是一個非幺正的過程。因此黑洞的形成和蒸發破壞了量子理論中的幺正性。

關於信息是否丟失問題，學術界有仍有不同的觀點，但主流的觀點是信息沒有丟失。這主要是受到引力的全息性質，或更為具體的引力/規範場對應的影響。因為按照引力/規範場對應，引力系統等價於其邊界上的量子場論，引力演化過程原則對應於量子場論中幺正過程。從這個意義上來說，所謂的信息丟失問題最終歸結為如何恢複信息的問題。至今為止，人們已經提出了很多恢複信息的方案。2016年，霍金，斯特羅明格(A.Strominger)，和佩里(M.Perry)提出了黑洞除了具有質量、角動量、電荷這些毛之外，還可能具有軟毛。這些軟毛可以攜帶信息。一些信息被以軟引力子或軟光子的形式存儲在位於視界未來邊界的全息盤上。當然，黑洞的軟毛是否可以解決信息丟失的問題仍然有很多爭議，需要進一步的研究。而黑洞的信息丟失問題將仍是每個可能的量子引力理論必然要面對的問題。

其他工作

除了在黑洞方面的研究，霍金在宇宙學上還有一些著名的工作。例如：上世紀80年代，人們已經意識到早期宇宙不可能是均勻和各向同性的，否則無法形成星系，這涉及到宇宙的初值或邊值問題。但無論在熱大爆炸還是暴漲模型中，初值問題都是以某種假設的形式存在。1983年，他和哈特爾(J.Hartle)提出用宇宙波函數來描述空間閉合宇宙的量子態。這個波函數是三維閉合空間的幾何和物質場在其上取值的泛函，並滿足正則量子引力中的惠勒-德威特方程。而宇宙的初值或邊值問題被沒有邊界而巧妙地迴避。這樣，在大爆炸之前，時間並不存在，因此諸如對宇宙開始的詰問是沒有意義的。正如他本人打的形象比喻，就像詰問北極點之北那樣沒有意義。

另外，霍金在蟲洞，引力的全息性質，膜世界圖像上也有一些重要的工作。曹教授說：「在我們看來，霍金最為重要的工作是他1974年關於霍金輻射和黑洞熱力學的研究。這一工作影響深遠，為我們理解引力的本質打開了一扇明亮的窗口。」

《時間簡史》——童真好奇與天才智慧的結合

霍金最為普通民眾所熟知的就是他在物理科普上對科學的貢獻，我們可以說在20世紀的科普事業上，霍金是最具成就，最為人所追崇的物理學家之一。尤其是他的《時間簡史》，風靡全世界，為所有普通民眾和青少年打開了一扇通往物理時空的大門。

從1988年以來霍金髮表了多部科普巨著，其中包括《時間簡史》(1988)，《黑洞，嬰兒宇宙及其他》(1993)，《果殼中的宇宙》(2001)，《在巨人的肩膀上》(2002)，《大設計》(2010)等。尤其是《時間簡史》，自出版以來，已被翻譯為40多種文字，累計銷量2500萬冊，成為一本暢銷全世界的科學著作。在《時間簡史》里，霍金用生動形象的語言，幽默而不失專業地向人們介紹了宇宙圖像，時空概念，宇宙膨脹，不確定性原理，黑洞等內容，涵蓋了包括狹義和廣義相對論以及宇宙學，粒子物理在內的廣泛知識。猶如帶領者人們遨遊在物理的奇異空間，被權威媒體評價為「既生動活潑，又發人生省，「童真好奇與天才智慧的結合」。這本猶如天才才能創作出的科普著作使得無數幾乎不懂物理的人們對奧妙的宇宙理論，時空本質產生了猶如朝聖者的嚮往和膜拜，為霍金本人帶來了無數的崇拜者和粉絲。毫無疑問，霍金在其一些列的科普著作中所展示出的專業素養和人文思考，展現了其極豐厚的理論功底和個人色彩，也表現了其對於推動人類科學普及和發展的信念與決心。

霍金在科普上的工作不僅局限於出版書籍，在有科學元素的流行文化，影視題材中也展示了自己的獨特風采。比如《時間簡史》製成了家庭影視版，霍金在《星際迷航》，《生活大爆炸》中客串自身， 為《萬物理論》的男主角提供配音等等。而改編自霍金生平事迹的電視節目更是不計其數。這些都展示了霍金作為科學家而具備的普通人有趣而多彩的一面。

霍金的預言：警示我們要時刻保持敬畏自然的心

在科學研究之外，霍金也時常會對生命，人類的命運，核武等話題發表自己的看法和見解。比如霍金預言2060年人類必須離開地球，2215年地球將面臨災難性毀滅，人工智慧將可能會是人類文明史上最壞的事件，以及外星人可能會為資源入侵地球等。這些預言和見解相比於我們目前主流科學上的觀點過於讓人恐慌，但思想奇妙開放如霍金，他的很多獨特的見解是我們無法揣測的，我們需要理性的看待這些問題。

時下全球變暖，氣候時而異常，加之人類無節制的對資源的開發，這些都可能為人類以後在地球上的生存條件埋下隱患。霍金的這些預言，我們更願意詳細這是他向世人發出的警告，人性的貪婪需要遏制，我們人類需要團結一致，維護好我們賴於生存的環境，保持對大自然的敬畏之心。而霍金對於外星人的預言，我們不用過分的解讀和關心，人類需要好好地發展自己的科技，有效的保護好我們的地球生態環境，以開放和平的心態去迎接未來，包括人工智慧。

霍金的一生無疑是偉大的，無論是身患漸凍症而不自棄，還是立志投身科學研究，向萬千普通民眾推廣最深奧的物理時空理論而不知倦，都配得上當今科學界的偉人之稱。曾經有人這樣寫到，「一個瘦的出奇，全身癱瘓的天才，他的身體無力地蜷縮在輪椅里，思想卻在宇宙的最深處飛揚，穿越時間與空間，追尋宇宙的盡頭，探索黑洞的隱秘——這就是史蒂芬 霍金，被譽為當今愛因斯坦的思想家，物理學家「。這句話很好地詮釋了霍金的一生——與疾病抗爭的一生，為科學奮鬥的一生。他為人類打開了物理的時空，留下了寶貴的財富，激勵著後人為科學事業繼續奮鬥不息。

作者：曹利明  中國科學技術大學教授

        楊濤  天體物理與宇宙學博士後

科學指導：蔡榮根，中國科學院理論物理研究所，研究員，科學院院士

文章由「科普中國頭條創作與推送項目」團隊推出

轉載請註明來自「科普中國」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！