物理群星
史蒂芬·霍金 肖像

图:美国国家航空航天局 StarChild,约 1980(公有领域)

史蒂芬·霍金

Stephen Hawking

1942–2018 · 生于英格兰牛津 · 英国

天体与宇宙学相对论量子力学

在轮椅上丈量宇宙、让黑洞发光的人

「无论生活看上去多么艰难,总有你能够做到并且做好的事情。重要的是永不放弃。」

—— 2012 年伦敦残奥会开幕式致辞

霍金的一生像一场跨度五十五年的思想实验:当身体被逐渐锁进一把轮椅,头脑能走多远?答案是——走到宇宙的开端,走进黑洞的视界,并且把沿途的风景讲给几千万普通读者听。

伽利略走后三百年

1942 年 1 月 8 日,霍金生于牛津——那天恰好是伽利略逝世三百周年。他晚年常提起这个巧合,又总不忘自嘲:那天全世界大约还有二十万个婴儿出生,未必个个都成了天文学家。他在牛津读本科时并不用功,自称平均每天只学习一小时,靠着过人的天分轻松过关,然后前往剑桥攻读宇宙学。命运的第一份「礼物」是导师分配:他想跟随大名鼎鼎的霍伊尔而不得,被派给了丹尼斯·夏玛——事后证明这是天大的幸运,这位善于点燃学生的宇宙学家给了他最需要的自由与鼓励。

二十一岁的判决

1963 年,剑桥的第一年还没读完,霍金被确诊患上运动神经元病,医生估计他只剩两年左右的生命。他一度陷入消沉,把自己关在房间里听瓦格纳。把他拉回来的是两件事:病情的恶化比预期缓慢,以及与简·王尔德的爱情——结婚意味着要找工作,找工作意味着要先完成博士论文。他后来说,当预期降到零,才懂得珍惜自己拥有的一切。那个曾经觉得一切都太容易、有些无聊的年轻人,第一次开始拼命工作。

从奇点到「黑洞不黑」

1965 年,彭罗斯证明恒星坍缩必然形成奇点。霍金把这个推理倒转方向应用于整个宇宙:时间回溯,膨胀的宇宙必然收缩到一个奇点——大爆炸不是可有可无的假设,而是广义相对论自身的结论。两人合作的奇点定理成为现代宇宙学的基石。真正的惊雷在 1974 年:霍金把量子场论放到黑洞附近的弯曲时空中计算,发现黑洞并非只进不出,而是像有温度的物体一样向外辐射、缓慢蒸发。「黑洞不黑」起初连他自己都难以置信,发表后更是举座哗然,但计算经受住了所有检验,被誉为理论物理最优美的结果之一。同年他当选皇家学会会士;1979 年,他坐上了剑桥卢卡斯数学教授的教席——三百年前,牛顿坐过同一把椅子。

轮椅上的声音

1985 年,一场肺炎迫使医生为霍金实施气管切开手术,他从此彻底失去说话能力,只能依靠贴在脸颊的传感器和语音合成器交流——后来病情加重,他全靠一块脸颊肌肉的抽动,一分钟拼不出几个词。就是用这样的速度,他在 1988 年出版了《时间简史》:一本只保留了一个公式(E=mc2E = mc^2)的宇宙学普及书,被译成四十多种语言,销量以千万计,在畅销榜上停留了两百多个星期。轮椅、合成器里那口美国口音的电子嗓音、还有那个关于宇宙的微笑,让霍金成为大众文化中科学本身的化身——他客串过《辛普森一家》和《星际迷航》,是全世界最容易被认出的科学家。

归于星辰

2018 年 3 月 14 日,霍金在剑桥去世,享年七十六岁——这一天是爱因斯坦的生日,而爱因斯坦去世时同样是七十六岁。这些巧合他若泉下有知,大概会先给出一句冷面笑话,再补一句「概率并不小」。同年 6 月,他的骨灰被安葬于伦敦西敏寺,与牛顿、达尔文为邻,墓碑上刻着他的黑洞温度公式。霍金辐射至今尚未被直接观测到,他也因此终生与诺贝尔奖无缘——但那道从视界边缘逃逸出来的微光,早已成为量子引力研究绕不开的路标。

代表方程

霍金温度

TH=ℏc38πGMkBT_H = \frac{\hbar c^3}{8\pi G M k_B}

黑洞不是绝对零度的坟墓,它有温度——而且质量越小反而越热。太阳质量的黑洞只有约亿分之六开,小黑洞却会越蒸发越烫,最终在爆炸中谢幕。

黑洞熵(贝肯斯坦-霍金熵)

S=kBc3A4GℏS = \frac{k_B c^3 A}{4 G \hbar}

黑洞能记下多少「信息」,不由它的体积决定,而由视界的表面积决定——这颗种子后来长成了全息原理。

伟大发现

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这些发现页把他列为关键人物。