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破解霍金密码

方玄昌2018-03-20 16:18

第一次面对面接触史蒂芬·霍金,是2002年的秋季。那一次是霍金第二次来华,他在北京国际会议中心做了报告,结束后,笔者与另外几位听讲者获得了向霍金提问的机会。

面对第一个提问者,霍金花了大约一分钟时间(也许更长),才借助于金属扬声器给出了回答:No。笔者已经忘了当时的具体问题,但还记得这个回答疑似答非所问。随后,笔者放弃了后续提问机会,并劝退了另外几位提问者——回答问题对于霍金来说实在太艰难了。

与许多带有追星心理的听讲者不同,笔者在第一次聆听霍金的演讲之前,就已经无数次通读他的《时间简史》。这本书的内容笔者早已耳熟能详,多次阅读这本书,纯粹是为了学习其写作技巧——直到今天,笔者还是认为霍金是把关于宇宙的故事讲得最通俗、最有趣的科学家(或科普作家),没有之一。尽管多数读者依然读不懂这本书。

读懂霍金,难于窥视黑洞

英国科学家霍尔丹曾说:“宇宙不仅仅是想象起来很神奇,而是比我们能够想象的还要神奇。”这个神奇的宇宙中最为神秘的一种天体,就是黑洞——无论用何种方法,我们都无法直接观测黑洞,或许也永远无法了解其内部状况;直到今天,科学界还没有给它一个确切的科学名字,它的名字black hole(黑洞)是一个口语词汇,算不上科学术语。

霍金最著名的工作,是试图研究并向世人阐释黑洞,他的思想、思维也如同黑洞一样,让人难以捉摸——他用的是一种纯数学、纯理论的方法做研究,科学家很难用实验去观测和验证这些理论。

或许,这就是有人认为他是爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家,另一些人却认为他即使在剑桥大学自己的院系都不算最优秀的原因所在。

对于黑洞,两百年前法国著名数学家和天文学家拉普拉斯就根据经典的牛顿力学预言,只要天体的空间足够小,引力足够大,光线和其他一切物质就不能从中逃逸。到了上世纪60年代,天文学家演算出近乎完美的一套黑洞理论:当一个恒星燃尽它所有的燃料后将发生坍缩,过程中它将损失能量和质量,如果其最后剩下的质量超过3.2个太阳质量,就会在1秒时间内变成比地球铁核还小的超高密度天体,这就是恒星质量的黑洞。

1994年,天文学家间接观测到了另一类黑洞,即星系中心普遍存在的超大质量黑洞。恒星质量黑洞虽有经典理论,在观察验证上却没到盖棺定论的地步;星系中心的超大质量黑洞被观察确证,但它是怎么来的,却没有一个完整的理论解释。二者正是现在科学家努力的方向。

但这两种黑洞,理论的形成及探测,均跟霍金毫无关系。霍金提出了另外一个黑洞学说,他认为宇宙中有无处不在的微型(Mini)黑洞,大小类似黄豆,质量仿佛木星;宇宙起源的时候,这种东西无处不在。

对于Mini黑洞,霍金赋予了其漂亮的理论。但天文学家少有顾及,因为它完全无法观察研究,霍金也没有给出如何去验证的方法。

不可验证的黑洞理论之外,霍金还提出了他的“11维空间宇宙模型”,他认为要描述宇宙,仅有X、Y、Z和T(时间)4个维度是不够的,要加到11个维度之后,才能够解释宇宙的很多结构。这些“维”同样是天文学家无法探测的。

在宇宙起源学说领域,现在最热门的是对宇宙形成早期的研究,包括研究那时控制宇宙、左右宇宙的物质规律;而霍金探讨的问题甚至比这更超前:他要研究大爆炸之前宇宙是怎么一个样子。科学界普遍认为,有了早期宇宙的成熟模型以后,才能谈到霍金所提到的宇宙大爆炸之前的问题。现在连0秒之后的瞬间都还摸不清,怎么谈更早时候的图景?对于《霍金的宇宙》一书所描绘的理论,许多研究广义相对论的专家都表示看不懂。

当然,霍金用纯数学方法做物理学的模型研究,这种“理论在先”的研究方法本身无可厚非。比如激光,就是先有了理论,然后用实验制造出来。爱因斯坦的理论当中也有很多预言,是后来被人类验证的。问题在于,霍金的理论现在还没有给出明晰的、可以让人去验证的途径。

他的定位

媒体和公众总喜欢把霍金和爱因斯坦相提并论,或者把他称为“爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家”。霍金在《时间简史》一书的附录中只简介了伽利略、牛顿、爱因斯坦三个科学前辈,很多人认为这是霍金在暗示自己可以比肩这三大巨人。

霍金无疑是一位优秀的科学家,但对理论物理学有了解的人都不难判断:他与这三位前辈相差过于遥远。即便是与哈勃、狄拉克、伽莫夫以及量子物理学家玻尔、薛定鄂等人做出的贡献相比,霍金也是大大不如;当代科学家中,杨振宁的贡献也远非霍金所能及。

让我们先回顾现代天体物理学、宇宙学中几个关键的事件。

第一,狭义相对论和广义相对论的建立,这是现代天体物理学和宇宙学的理论基础,基本上是由爱因斯坦一个人完成的;第二,哈勃观测到“所有的星系和恒星都在离我们远去”,这暗示着宇宙在膨胀;第三,伽莫夫提出大爆炸宇宙模型,并且在后来因为观测到宇宙爆炸留下的微波背景辐射而得到有力证明;第四,2003年年初,美国一个由众多科学家联合组成的科学小组发现了暗能量——由于暗能量的作用,宇宙在加速膨胀。

四次大发现,都没有霍金什么事。

霍金最大的贡献在于从理论上推导出黑洞具有辐射,即“霍金辐射”的发现。这是目前已经被证明的一个理论。而他的其他理论,包括mini黑洞,以及关于宇宙爆炸之初的一些研究,在可预见的将来都无法验证其真伪。

霍金的科学贡献与他的知名度并不相称,但他还有科普方面的贡献。他通过自身的传奇的一生,吸引大众走向科学。

我们大致可以把霍金的人生分为三个阶段。在他21岁被查出患上卢伽雷症之前,他仅仅是一名优秀的数理科学学生;患病之后,他以惊人的毅力在学术上取得对于重度残疾人来说难以达到的成就,并担任剑桥大学卢卡逊数学教授(这是牛顿和狄拉克曾经担任的职位),此后,他成为科学界的传奇。第三阶段则是1988年《时间简史》出版之后,让他从科学界走向公众。可以这么说,如果没有《时间简史》,霍金未必比《美丽心灵》的男主角原型、同样受病痛折磨的数学家纳什更知名。

如果仅仅考虑科普作品的贡献,20世纪至少有两个人超过霍金:卡尔·萨根和伊萨克·阿西莫夫。但这两个人却没有如同霍金一样的传奇经历。

另一方面,我们几乎可以断言霍金在中国的影响会更加突出一些。当阿波罗登月,以及萨根和阿西莫夫这两位科普和科幻大作家影响全世界时,中国还处于一个封闭的时代。等到中国打开国门,就遇到了霍金。

霍金第一次来华是1985年,第二次是2002年秋天,第三次是2006年。几乎可以算是一场启蒙运动,轮椅中的霍金,携着他的《时间简史》,让中国公众知道了黑洞、宇宙大爆炸等概念。中国科学院一位理论物理学家曾如此评价:“霍金让中国年轻一代对深邃的宇宙产生更大的兴趣,呼唤更多青少年加入到科学研究队伍中来。”

从这个意义上说,这个时代,世界上还有一个霍金,是中国人的幸运。

霍金还展示了他作为一名科学家的本色,那就是,勇于放弃和否定自己早年的理论。这也是科学精神的题中应有之意。2004年7月,在爱尔兰首都都柏林举行的“第十七届国际广义相对论和万有引力”大会上,霍金面对来自世界各地的科学家和记者演讲自己的最新发现,并宣告推翻自己若干年前建立的黑洞理论。

这不是霍金第一次否定自己早年的理论,之前他曾经对公众坦率承认,他的另一项探索“终极理论”(也被称为“万物理论”)其实是徒劳无功的。勇于放弃或否定自己原来的理论的霍金,不失科学家本色。

3月14日,76岁的霍金终于走向了“黑洞”。作为一名卢伽雷症患者,他比医生预判的多活了40余年。借助那部神奇的轮椅以及自身坚毅品格的支持,霍金度过了了无憾的一生。而对于向往科学的人们而言,这个“活着的神话”似乎还在延续。

(作者为资深媒体人、科普作家。本文综合作者之前所写的多篇文章改写而成)