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

撰文 | 茍利軍(國家天文臺)

責(zé)編 | 陳曉雪

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當(dāng)我們提起史蒂芬·霍金（Stephen Hawking），會(huì)想到些什么？或許是以下這幾點(diǎn)。

第一，他始終以奇特的姿勢坐在一只帶屏幕的輪椅上，曾在《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）中出現(xiàn)的電子聲表達(dá)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(shí)間簡史》（A Brief History of Time）幾乎人人皆知，據(jù)說全球已賣出幾千萬冊，躋身“銷量僅次于圣經(jīng)”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，亦憑借該片奪得2015年奧斯卡影帝。第五，霍金近年來為人類的命運(yùn)深感擔(dān)憂，他一方面堅(jiān)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(yīng)加快太空殖民的計(jì)劃。就在剛剛過去的6月20日，他在挪威斯塔爾馬節(jié)(Starmus Festival)上的最新觀點(diǎn)是：人類需要在2020年完成月球登陸，世界各國協(xié)同努力在接下來30年內(nèi)建立一個(gè)月球基地，并在2025年前將人類送到火星。

真是一顆神奇的腦袋。

“在我21歲時(shí)，我的期望變成了零。” 21歲那一年，霍金被診斷患有盧伽雷氏癥，即肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥，醫(yī)生告訴他剩下的時(shí)間不會(huì)超過兩年。然而他活下來了，“自那以后，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，他的智慧卻依然遨游在廣袤宇宙之中，思維活躍，不斷探尋著時(shí)間的本質(zhì)、黑洞的秘密與宇宙的起源。

每年，霍金都會(huì)收到許多演講邀請，就像他剛寫完《時(shí)間簡史》時(shí)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(shí)長50分鐘，分別回顧了經(jīng)典黑洞理論的研究發(fā)展史和量子黑洞理論的發(fā)展史。后來演講稿整理成書出版，取名《黑洞不是黑的》。

黑洞不是黑的，那它是什么樣子的？視界面望遠(yuǎn)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么說的。

對于黑洞的理論研究，其實(shí)由來已久。愛因斯坦1915年提出廣義相對論，次年，德國物理學(xué)家史瓦西（Karl Schwarzschild）就得到了沒有角動(dòng)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恒星坍縮成中心帶有一個(gè)奇點(diǎn)的黑洞的可能性。愛因斯坦不太認(rèn)同這種可能性，他根據(jù)直覺判斷，黑洞這種天體并不存在，并寫了論文來反駁奧本海默。遺憾的是，此番爭論并未持續(xù)多久，一方面沒有黑洞存在的證據(jù)，另一方面，隨著第二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)火燃起，物理學(xué)家的興趣轉(zhuǎn)向了核物理，關(guān)于黑洞的討論逐漸淡出了人們視野。

所幸，人們在20世紀(jì)60年代迎來了天文學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)代，那一時(shí)期的四大發(fā)現(xiàn)（星際有機(jī)分子，宇宙背景輻射，脈沖星、類星體）對于之后人類認(rèn)識宇宙產(chǎn)生了極為深遠(yuǎn)的影響。1964年，美國科學(xué)家在天鵝座區(qū)域偶然發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常明亮的X射線天體，這是人類于此區(qū)域發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)X射線天體，卻不知其本質(zhì)為何，于是天文學(xué)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(gè)黑洞候選體。

黑洞存在的證據(jù)不斷向科學(xué)家們招手，再次激發(fā)了他們研究黑洞的興趣，黑洞研究迎來了“第二春”。因推斷宇宙起源于一個(gè)奇點(diǎn)而出名的霍金，也開始將研究興趣從宇宙學(xué)轉(zhuǎn)向黑洞。

1973年，霍金和另外兩位物理學(xué)家合作了一篇論文《黑洞的熱力學(xué)定律》，總結(jié)了與熱力學(xué)定律相似的一系列關(guān)于黑洞的定律。該文章著重強(qiáng)調(diào)了一點(diǎn)：黑洞的溫度為絕對零度（因?yàn)闆]人任何東西包括光可以逃脫黑洞，所以黑洞不會(huì)輻射），且不具有物理熵。

萬萬沒想到，就在不久后，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(diǎn)。貝肯斯坦發(fā)現(xiàn)，如果黑洞不具備熵，那么熱力學(xué)第二定律就會(huì)被違反。那樣的話，我們就可以將任意具有熵的物體扔進(jìn)黑洞，而降低了外部宇宙的總熵。因此，他認(rèn)為黑洞的熵必須正比于表面積，才能挽救熱力學(xué)第二定理。此項(xiàng)工作被認(rèn)為是黑洞熱力學(xué)的開篇，貝肯斯坦也因此在2012年捧得了沃爾夫獎(jiǎng)。

彼時(shí)的霍金教授已是名人，被一個(gè)碩士生推翻了論文或許內(nèi)心不爽。不過，本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，1974年，霍金將量子力學(xué)應(yīng)用于黑洞的視界面附近時(shí)，他發(fā)覺黑洞也能產(chǎn)生輻射！這個(gè)結(jié)果讓霍金驚掉了下巴，這和人們之前對于黑洞的認(rèn)識完全不同。在經(jīng)過多次驗(yàn)證、確認(rèn)結(jié)果正確無誤之后，他向世人宣布了這個(gè)大消息：黑洞具有溫度！這便是“霍金輻射”，黑洞并不像我們原來想象得那么黑。在“霍金輻射”誕生幾周后，32歲的霍金當(dāng)選英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，成為了其中最年輕的幾位會(huì)員之一。

盡管“霍金輻射”極其微弱，幾乎可以忽略，但相較于原來的絕對零度，這是一個(gè)質(zhì)的差別。自此，霍金將引力、量子力學(xué)和熱力學(xué)聯(lián)系在了一起，這是理論物理學(xué)的一次偉大突破。不過，在這令人喜悅的發(fā)現(xiàn)背后，還隱藏著一個(gè)更深?yuàn)W難測、更令人費(fèi)解的科學(xué)問題：黑洞信息悖論。

黑洞輻射意味著黑洞會(huì)不斷損失質(zhì)量，直至蒸發(fā)殆盡。如果是這樣，那么落入黑洞的物體的最終命運(yùn)又是什么？廣義相對論認(rèn)為，進(jìn)入黑洞的信息永遠(yuǎn)不會(huì)再出來，會(huì)隨著黑洞的蒸發(fā)而消失。那么信息去哪了？從量子理論來看，信息是永遠(yuǎn)不會(huì)真正消失的。自從霍金輻射被提出之日起，這個(gè)問題就一直困擾著物理學(xué)家們。

數(shù)十年來，霍金和其他物理學(xué)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(gè)新理論——黑洞的“軟毛定理”！“軟毛定理”是什么？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(dān)心，這個(gè)星球上最了解黑洞的人將為你引路。

要研究黑洞，需要同時(shí)具備兩項(xiàng)必殺技：一是極其復(fù)雜高深的數(shù)學(xué)工具，二是非常聰明智慧的大腦。霍金不僅僅在理論層面發(fā)現(xiàn)了霍金輻射，還與彭羅斯一起證明了彭羅斯-霍金奇點(diǎn)定理（兩人憑此獲得1988年沃爾夫獎(jiǎng)），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(gè)星球上最了解黑洞的人，一點(diǎn)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，并確認(rèn)它們的存在。過去幾年里我投身科普，在公開的講座報(bào)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》這本小書之后，我依然感到受益匪淺。對我來說，“里斯演講”如同一堂關(guān)于宇宙探索和理論物理發(fā)展的歷史課，主角正是神秘的黑洞，以及我們這個(gè)時(shí)代偉大的物理學(xué)家們?；艚鸬目诓疟任液锰?，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(huì)在2020年重登月球，你都該趁著仍在母星的時(shí)間，好好讀讀這本有趣料多、可以放在口袋里的小書。許多年后，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(xué)來的黑洞探索史。

史蒂芬·霍金著，吳忠超譯，大衛(wèi)·舒克曼導(dǎo)讀；湖南科學(xué)技術(shù)出版社出版。

制版編輯：斯嘉麗丨