霍金 成為普羅米修斯

  宇宙學家,太空旅行者,英雄——個人網站上的簡介是霍金盛名之下一生的寫照。2018年3月14日,物理學家霍金在英國劍橋家中辭世,享年76歲。

大半生在輪椅上度過,他受疾病所縛但未坐以待斃,證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理,提出黑洞蒸發理論和無邊界的霍金宇宙模型,為結合20世紀物理學兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學找到前所未有的可能性。他還曾乘潛水艇下海,乘氣球和零重力飛行器上天,向「維珍銀河」預訂了太空飛行。

他總能找到一種方式來交流,不管是含糊的話語、手指控制電腦還是抖動面頰指揮一束紅外線,最後用上了眼球追蹤和腦電波識別技術。他藉助機器發出的聲音抑揚頓挫,常向公眾風趣地解釋科學並給出機智又神秘的回答。

自愛因斯坦之後,似乎沒有哪位科學家像他一般引人注目,像個人間英雄。在2014年的自傳《我的簡史》中,霍金說這部分是因為「切合殘疾人天才的定型」,他還慣常地打趣:我不能用假髮和墨鏡來偽裝自己——輪椅暴露了我的身份。曾共事的英國天文學家馬丁•里斯的猜想是,「一個被囚禁的心靈在宇宙中漫遊,這個概念引人想像。如果他在基因學上獲得同等成就,世界可能不會因他以智慧征服困境得到心靈的共振。」

他的故事被人單調、反覆地講述——憑藉勇敢克服身體殘疾而成為科學的巨人。而他自己在自傳中總結:「我的一生是充實而滿足的。我相信殘疾人應專注於障礙不能阻止他們做的事,而不必對他們不能做的事徒然懊喪。在我的情形下,我盡力做我要做的大多數事……活著並從事理論物理研究,使我擁有一個美妙的生涯。如果說我曾經為理解宇宙添磚加瓦的話,我會因此而感到快樂。」

「莫扎特交響曲」

如果理解了宇宙如何運行,在某種程度上你就控制了它。探究宇宙的動因與少年時代建造飛機和輪船模型、發明一系列複雜遊戲相似,都為了解複雜的系統如何運行及控制。物理學和天文學讓人理解人從何而來、為何在此,霍金的母親曾形容:我能看到星星使他痴迷。

中學同學給霍金起過「愛因斯坦」的綽號,似乎在他並不顯眼的成績之外看到了些好徵兆。他習慣長時間地討論和辯論,話題從無線電控制模型到宗教、從靈學到物理學。他和朋友談論過宇宙的起源——宇宙是否需要上帝去創生並使它運行。

他聽說過宇宙正在膨脹的假定——來自遙遠星系的光會發生紅移意味著它們在遠離地球——但他不信,「也許光線傳播到我們的路途中累了,變得更紅」,一個靜態的宇宙似乎更自然和永續。

這個認知將在讀博兩年後被推翻。霍金在倫敦及聖奧爾本斯度過童年時代,於牛津大學完成物理學士學位後進入劍橋大學研究宇宙學。父親研究熱帶病,極為勤奮,鼓勵霍金在科學上的興趣,日後他從事科學研究是極為自然的。

他還常不無驕傲地提起一種隱秘的關聯:1942年1月8日他生於英國牛津,那天正是伽利略逝世300周年忌日。他又轉折,「然而,估計當日出生的約有20萬個嬰兒,不知道他們之中是否還有其他人後來對天文學感興趣。」

要麼不費吹灰之力就非常卓越,要麼接受自己能力有限,努力這一品質在1950年代末期的大學校園裡不被讚許。大多數年輕人對生活厭倦、幻滅,除了財富沒什麼可追求的。霍金計算過,在牛津上學的三年間大約平均每天只用功一小時。

在最後一年裡霍金變得笨拙,摔下幾個台階後看醫生,醫生只說「別喝啤酒」。到劍橋大學後情況更糟糕,一年冬天去湖上滑冰,他跌倒後爬不起來。那位做出診斷後束手無策的醫生抱歉地對霍金母親說,「才華橫溢的年輕人即將隕落。」

霍金回到學校繼續研究但很難專心,「我覺得有點悲劇人物的味道」,霍金在自傳中說,「我出院不久,就做了一個將被處死的夢。我忽然意識到,如果我被緩刑的話,還有很多我能做而值得做的事情。另外一場我做了很多次的夢是,我要犧牲自己的生命去救別人。畢竟,如果我反正都要死,不妨做一些好事。」

此後的一切被他視作命運的「額外獎賞」,患病而面臨死亡時似乎生命才是值得度過的。被診斷為肌萎縮性脊髓側索硬化症(也稱漸凍人症)後與簡•王爾德的訂婚成了某種生活的動力,他頭一回開始用功。「像塞繆爾•詹森所說,如果你就要上絞刑架,精神便會最集中。」在1992年的紀錄片《時間簡史》中霍金母親說。

雙手的運動能力喪失後,他成為活躍的輪椅運動者。他的出現常常引發驚慌,人們會盯著看他如何開著電動輪椅飛快地行駛在劍橋的街道上。60歲時他還因此摔斷了腿。他的生存是個醫學奇蹟,很多患同種病的患者在確診後兩三年內死亡。生前他提供了自己的DNA以供科學家們找出他獲得「特殊保護」的原因。

前妻簡在回憶錄《飛向無限》中描述霍金常在晚上和周末花費幾小時陷入沉思,腦袋歪靠在右手上,仿佛去往另一個時空。他沒完沒了地聽華格納的歌劇,開到最大音量。他還有一個看上去痛苦萬分的思索姿勢——將頭放在大腿上。因身體障礙,霍金挑選只需在頭腦中運算就能處理的研究項目。在一次學術會議上,一位科學家看著他說出一黑板由空間、時間轉換而來的推導公式,驚嘆於他「能在腦海中創作一整部莫扎特的交響曲」。

「即使把我關在一個果殼裡,我也會把自己當作一個擁有無限空間的君王的。」《哈姆雷特》中的一句話被霍金引用在所著《果殼中的宇宙》一書中,「哈姆雷特也許是想說,雖然人類的身體受到許多限制,但是我們的精神卻能自由地探索整個宇宙,甚至勇敢地闖入連『星際航行』都畏縮不前之處——噩夢不再糾纏的話……我們有限的思維何以理解無限的宇宙?甚至僅僅有這種企圖是否就已經過於自信?我們是否冒著普羅米修斯命運的風險?在經典神話中,他為人類盜取火種,因為愚勇而受懲罰。他被鎖鏈縛在岩石上,讓鷹啄食他的肝臟。」

無中生有

關於宇宙是否有起始及如何起始的爭論貫穿歷史,基本存在兩種派別。根據早期的宇宙學以及猶太教、基督教及伊斯蘭教的傳統說法,宇宙從過去一個並不太久的有限時間開始。而亞里士多德和多數希臘哲學家相信,宇宙已經存在了並將永遠存在,不朽的東西比必須被創生的東西更完美。雙方都認為,宇宙恆定不變。

愛德溫•哈勃1929年關於宇宙膨脹的發現改變了宇宙起源的討論,宇宙膨脹暗示著一種可能性——宇宙起源於過去的某個時間點。直至1962年霍金入學時,穩態理論(認為宇宙一直存在)和大爆炸理論(認為宇宙起源於一次大爆炸,當時的宇宙無限小而緊密)尚未分出勝負。

穩態理論認為,隨著宇宙膨脹,暗物質被連續創生以使密度在平均上不變。此理論在1965年遭致命打擊,宇宙微波背景輻射被發現。但是否一定有一個大爆炸來開啟時間的進程?同年,羅傑•彭羅斯證明瀕臨死亡的恆星會在其自身重力的作用下坍縮,一旦收縮到一定半徑,會不可避免地存在奇點。奇點有無窮大密度而沒有體積,廣義相對論理論在這裡不適用。

霍金得到啟發,將此用於宇宙膨脹中,證明存在一個大爆炸奇點。在接下來的五年中,霍金與羅傑•彭羅斯等人發展了廣義相對論中的因果結構理論,部分結果成為霍金與喬治•埃里斯合著的《時空的大尺度結構》的基礎。

整個1970年代,霍金主要研究黑洞。對宇宙的起源和結局的興趣在幾年後參加梵蒂岡的一次宇宙學會議時被重新喚醒。會議結束後被教皇接見時,霍金被告知,研究大爆炸之後的宇宙演化完全可以,但不應當探尋大爆炸本身,因為那是創世之時,是上帝的工作。

他不知道霍金剛剛演講的內容正是宇宙有限而無邊界的可能性,這意味著宇宙沒有起始,沒有所謂的創世。霍金想起幾個世紀前的伽利略事件,無意同命運,但霍金對伽利略有強烈的認同感,部分因為他出生於伽利略逝世300年後這一巧合。那時他還不知道如何用「無邊界」概念對宇宙作出預言。次年夏日,他與同事詹姆斯•哈妥一起得出宇宙無邊界條件。

在他們的設想中,宇宙的邊界條件是,它是閉合的、沒有邊界的。宇宙的開端正如地球南極,緯度起著虛時間的作用。這樣的設想將時間變成空間中的一個方向,迴避了「時間具有開端」這樣一個科學和哲學的困難,也意味著宇宙會從無中自發創生——從幾乎完全光滑、但具有微小的偏離開始,隨著宇宙膨脹,這些偏離增長並導致星系、恆星等宇宙中包括生物在內的所有結構的形成。

這個在虛時間中的歷史是細小的略微平坦的球面,酷似哈姆雷特的果殼,然而這個果殼把實時間中發生的一切都作為密碼貯存在它上面。從這種設想來看,哈姆雷特說的沒錯。

在2011年出版的《大設計》一書中,霍金試圖理解生命、萬物和宇宙的存在。他聲稱由於存在像引力定律這樣的法則,宇宙能夠以無中生有的方式把自己創生出來,這可以解釋宇宙為什麼存在,人類為什麼存在,「不必祈求上帝點燃導火索使宇宙運行」。

上帝擲骰子

在孫子的生日派對上,一個小孩走到霍金面前問他,如果我掉進了黑洞,會發生什麼?「你會變成意大利麵。」孩子們聽後都很興奮。

1783年英國天文學家約翰•米歇爾論斷可以存在比太陽更大質量的恆星,其逃逸速度超過光速,任何發出的光都被恆星引力拖曳回去,所以它們無法被看見。「黑洞」這個1969年由約翰•惠勒靈光一閃想到的詞似乎很形象,每個人都接受了它。

通用的定義是,質量巨大的恆星坍縮時重力變得如此之強以至於連光都不再能逸出,依任何物質都無法逃離的邊界劃定一個範圍,它的內部就是黑洞,邊界是事件視界。在黑洞中心有一個密度趨近於無限的奇點。不妨這麼看待事件視界,霍金認為這如同地獄入口,「汝等進入此地,須棄絕一切所望。」

馬丁•里斯與霍金一同工作時常在辦公室幫他翻開一本難解的量子論書,馬丁回憶,霍金常持續幾個小時一動不動地坐在那兒。不久後霍金便提出讓他聲名鵲起的「霍金輻射」,並想過將相關公式刻於墓碑上。

殘疾使躺下睡覺這個過程變得緩慢,霍金有足夠的時間可以用來思考。1970年11月的一個夜晚,入睡前他想起黑洞,突然之間意識到黑洞視介面積不減少的性質給予黑洞的可能行為以重要限制。過後他認為黑洞必定有熵——它用以測量一個體系的無序程度——且值為視介面積的四分之一。這是一個有去無回的臨界點,黑洞的引力會大到使它無法逃脫。

將量子力學用於黑洞後,霍金在1973年證明了黑洞會輻射粒子,即「霍金輻射」。黑洞這種終極監獄並非完全不可逃逸,黑洞並不完全是黑的。

通俗地說,如果一個太空人落入黑洞,黑洞的質量將增加,但增加的能量將以輻射的形式歸還宇宙,因此太空人被「再循環」。然而這是一種可憐的永生形式,因為當這個被壓成意大利麵條的人最終被撕碎時,個體的時間概念會走到盡頭,輻射出的粒子類型一般也會與他自身所構成的不同。這個場景也許讓未來的星系旅行家們失望。

在一次會議上霍金說出此結論,人群騷動,有人大聲說,「肯定錯了,你的理論我一句話都不信。」因此結論而引出的黑洞信息丟失問題目前仍備受爭議——如果沒有物質掉進黑洞,通過輻射損失的能量將導致黑洞質量減少並最終蒸發。2016年,霍金還與人合作研究,提出黑洞「軟毛」的概念,試圖對此作出解釋。

因量子力學具有隨機與不確定性因素,廣義相對論創建者愛因斯坦從未接受它,他說上帝不玩骰子。黑洞中的量子效應讓霍金明白,「上帝不僅玩骰子,他有時還把骰子扔到無法觀測的地方」。

「不必自外於偉大智慧與哲學問題」

《時間簡史》自1988年出版後被譯成四十多種文字,發行量達2500多萬冊。英國歷史學家西蒙•詹金斯評論:「我斷定霍金得益於『名人智慧效應』,買一本書要比僅僅讀一篇該書的評論文章顯得更為高尚,但不必去讀它。在咖啡桌上或牌桌旁放一本書好像是知識分子的一種象徵,正如將一個多餘的古馳商標縫在手提包上或將鱷魚商標縫在T恤衫上一樣。」

霍金自己承認,克服殘疾而成為理論物理學家的故事為書的銷售推波助瀾。出版社以坐在輪椅上的個人照作為封面圖片的舉動備受譴責,有人說這是在利用疾病。也有善意者將此書與《禪與摩托維修藝術》相提並論,霍金接受了這「相當大的恭維」,他希望此書讓人「不必自外於偉大智慧與哲學問題」。

萌生寫科普書的念頭是在1982年,當時他生活拮据,為給女兒攢學費,也為解釋人們已經在何等程度上理解了宇宙,他希望寫出在機場書店就能買到的那類書。他選擇面向大眾市場的出版商,聽從編輯建議修改初稿使人易懂,全書只放入一個公式——有人告訴他,每個公式都會使銷量減半。即便如此,此書對於普通大眾而言仍然艱深。

在《時間簡史》中,有兩種概念是霍金特別提及的,一是「歷史求和」,即宇宙並非只有一個歷史,而是有每種可能的歷史集合,所有這些歷史都是同等實在的。另一個是「虛時間」,可被認為是時間在和通常所言的實時間成直角的一個方向。在虛時間中的歷史可以是閉合的曲面,正如地球的表面,既無開端,也無終結。

最後他說,發現宇宙萬有理論意味著所有的人,哲學家、科學家和每一個普通人都能參與為什麼我們和宇宙存在這一問題的討論。如果能找到答案,那將是人類理性的最終勝利。

找到一個萬有理論似乎是科學家的某種共同心結,在此之前有過兩次虛假的黎明。19世紀初曾認為一切事物都可以用連續介質的性質來解釋,例如彈性和熱傳導。原子結構和不確定原理的發現給了這種想法一個乾脆的結束。發現狄拉克方程後不久,馬克斯•玻恩預測物理學將在6個月內完結。中子和核力的發現再次使希望落空。

在發表盧卡斯數學教授就職演說時,霍金就曾樂觀而又不乏謹慎地預言,在不久的將來,人類會擁有一套完備、協調的統一理論,能描述所有可能的觀測。幾年後他繼續談論這一可能:「宇宙由秩序所制約,我們現在能部分地,而且在不太遠的將來能完全理解這種秩序。也許這種希望只不過是海市蜃樓:也許根本就沒有萬有理論,而且即便有我們也找不到。但是努力尋求完整的理解總比對人類精神的絕望要好得多。」等到《大設計》一書中,他的設想發展成「M理論是萬有理論的唯一候選者」。

到了21世紀初,霍金最終宣布對萬有理論的探索是徒勞無功的。他從奧地利邏輯學家哥德爾的著作中受到啟發,認為時間、空間和宇宙中最神秘的問題不可能用一個簡單的、優美的數學方程式來解釋。探索中有真理、謬誤,更有無數暫時的假設。

去年霍金還在呼喚人類逃離地球,在另一個星球上建立家園,留下來將面臨滅絕的危險,可能被小行星撞擊,或者遭遇新病毒、氣候變化、核戰爭或人工智慧的反擊。他將宇宙視為「新大陸」,對一個像哥倫布發現美洲大陸的「宇宙大發現」時代有無限熱情。他認為在接下來的一百年里,人類將踏上最偉大的冒險之旅,命運在群星之中。他大呼,「太空,我們來了。」

人類與宇宙的智力搏鬥似乎仍漫長而光榮。

(鄭瑩/文)