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史蒂芬·霍金:我不怕被抛进黑洞 我是它们的主人

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发表于 2018-3-17 23:56:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
來源:网易科技报道


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史蒂芬·霍金是探索引力和和黑洞属性的一代领导者,他的研究成为了现代物理学史的一个转折点
  网易科技讯3月15日消息,纽约时报网站刊文称,著名物理学家霍金没有让身体上的限制阻碍他探求解答“一个大问题:宇宙来自哪里?”他是探索引力和和黑洞属性的一代领导者。不仅仅在学术上,在职业和个人生活中,他也是个不断挑战极限的人。
  以下是文章主要内容:


  劍橋大学物理学家、畅销书作家史蒂芬·霍金(Stephen W. Hawking)星期三早晨在剑桥的家中去世,享年76岁。他在轮椅上漫游宇宙,思考万有引力的本质和宇宙的起源,可谓人类决心和好奇心的象征。
  纽约城市大学理论物理学教授加来道雄(Michio Kaku)在接受采访时表示:“自阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)以来,从未有科学家像霍金这么能激发公众的想象力,并为全世界数以千万计的人所喜爱。”
  霍金很大程度上是通过他1988年出版的著作《时间简史:从大爆炸到黑洞》做到那一点的。该书售出了超过1000万本,启发了美国纪录片大腕埃罗尔·莫里斯(Errol Morris)的纪录片。 2014年关于霍金人生的电影《万物理论》(The Theory of Everything)获得了多项奧斯卡奖提名,饰演霍金的埃迪·雷德梅因(Eddie Redmayne)获得了奥斯卡最佳男主角奖。
  从科学角度来看,霍金最值得铭记的一项发现相当奇怪:它可能以禅宗公案的形式来表达:黑洞什么时候不是黑色?它爆发的时候。
  同样令人惊叹的是,他竟然有个职业生涯。在1963年,作为研究生,他了解到他患有肌萎缩侧索硬化症。那是一种神经肌肉萎缩症,也称为路格里克氏病。当时医生说他只剩下几年的生命。
  这种疾病使他的身体控制减弱到只有手指和眼睛能动,但他的智力没有受到影响。
  他后来成为探索引力和和黑洞属性的一代领导者。该无底的引力大坑如此之深,如此之密,甚至连光线都无法逃脱。
  那项研究引起了现代物理学史上的一个转折点。该转折点发生在1973年的最后几个月,当时霍金开始将量子理论应用在黑洞上面。在漫长而艰巨的计算过程中,霍金取得了一项令其迷惑不解的发现:黑洞——那些宇宙末日的神话化身——并不是黑色的。事实上,他发现,它们最终会萎靡,泄漏放射物和粒子,最终发生爆炸并永远消失。
  包括霍金在内的所有人一开始都不相信粒子可能会从黑洞中出来。 “我根本没有在寻找它们,”他在1978年的一次采访中回忆说,“我只是碰到它们。我那时非常恼火。”
  那项计算出现在一篇刊登于1974年出版的《自然》杂志的论文《黑洞爆炸?》,它被现在的科学家誉为寻找单一自然理论的第一个伟大里程碑——将重力和量子力学联系起来,来解释一个比任何人都想象的都要陌生的宇宙。
  众所周知,霍金辐射的发现将黑洞理论颠覆了过来。它将它们从毁灭者转变成创造者——或者至少是回收者——并往奇怪的新方向扭转了终极理论的梦想。
  霍金博士在1978年接受采访时说,“你可以问一个人跳进黑洞会发生什么,我当然不认为他会存活下来。”
  “另一方面,”他补充道,“如果我们派人去跳进黑洞,他和构成他的原子都不会回来,但他的质能会回来。也许这适用于整个宇宙。”
  宇宙学家、霍金在剑桥的论文导师丹尼斯·夏默(Dennis W. Sciama)称霍金的那篇《自然》论文是“物理学史上最美丽动人的论文”。
  普林斯顿高级研究所理论家爱德华·威登(Edward Witten)表示,“近40年来,试图更好地理解霍金的发现一直是获得新思维的源泉,我们可能还远未完全掌握它。它仍然感觉很新。”
  2002年,霍金说,他希望霍金辐射的公式被刻在他的墓碑上。
  他是一个挑战极限的人——不仅在学术生活中是如此,在他的职业和个人生活中也是如此。他亲身前往全球各地参加科学会议,探访南极洲等各大洲;撰写有关其研究的畅销书籍;结婚两次;有三个孩子;客串参演热门影视节目《辛普森一家》《星际迷航:下一代》以及《生活大爆炸》。
  他乘坐热气球庆祝他的60岁生日。同一个星期,他还在剑桥的一个角落加速操纵他的电动轮椅,导致一条腿摔断。
  2007年4月,在他65岁生日的几个月后,他登上一架经过特别改装的波音727飞机参与体验零重力飞行。该机身内壁填了垫料的飞机进行过山车式的俯冲,进而产生短暂的失重。这是登上英国亿万富翁理查德·布兰森(Richard Branson)的VirginGalactic公司太空飞船SpaceShipTwo进行太空之旅的前奏。
  当被问及他为什么要冒这样的风险时,霍金说,“我想证明,只要没有精神残疾,人们就不需要受到生理缺陷的限制。”
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 图:不管在职业还是个人生活中,霍金都是个挑战极限的人。2007年,65岁的霍金登上经过特别改造的波音727飞机参与体验零重力飞行。
  他的精神让许多人十分敬畏。
  “他的生活是一场巨大的胜利,”剑桥大学宇宙学家、英国皇家天文学家兼霍金长期同事马丁·里斯(Martin Rees)说,“他的名字将永存于科学的历史中;数百万人的宇宙视野因为他的畅销书籍而得到扩大;在世界各地,更多的人受到了一个独一无二的、克服种种困难取得成就的例子(惊人的意志力和决心的表现)的启发。
  1942年1月8日,史蒂芬·威廉·霍金出生于英国牛津。他的母亲伊泽贝尔为了避开纳粹德国对伦敦的轰炸,跑到了牛津。他的父亲弗兰克·霍金(Frank Hawking)是一位杰出的研究生物学家。
  霍金是家中四个孩子中年纪最大的一个,在伦敦圣奥尔本斯学校上学时成绩平平,不过他与生俱来的才华得到了一些同学和老师的赏识。
  后来,在牛津大学学院,他觉得数学和物理学很简单,因而很少查阅书籍或者做笔记。
  他觉得唯一令人兴奋的学科是宇宙论,因为它处理的是“一个大问题:宇宙来自哪里?”
  毕业后,他转到了剑桥。然而,在他开始研究之前,他受到了他的研究导师夏默所说的“可怕的事情”的侵袭。
  年轻的霍金几年来一直时不时就身体虚弱,像中了咒语一般。1963年,在他21岁生日后不久,医生告诉他,他患有肌萎缩侧索硬化,只剩下不到3年的寿命。
  他随即陷入了严重的抑郁状态。他说,他梦见自己将被处决。之后,在克服了各种苦痛后,他的病情似乎趋于稳定。虽然他慢慢地失去了对肌肉的控制,但他仍然能够短距离行走和进行简单的任务,尽管很费力,比如穿衣服和脱衣服。他重新有了目标感。
  “当你面临早逝的可能性时,”他回忆道,“它会让你意识到生命很宝贵,有很多事情你想要去做。”
  1965年,他与语言学学生简·王尔德(Jane Wilde)结婚。用他自己的话来说,他不仅有了“某种生活追求”;他还必须找到一份工作,这激励他认真对待他的博士学位。
  然而,他的病让他无法写下写下长长的公式进行推算,那些可是宇宙学者惯常的工具。他后来把这种障碍转变成了一种力量,将精力集中在大胆的跳跃式思维上。在他晚年的时候,他常常将那些思维留给别人用正确的数学语言编纂出来。  
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图:霍金和他的第一任妻子简·王尔德1990年的合照。两人于1990年结婚,霍金说婚姻让他有了“某种生活追求”。
  霍金说,“人们误以为数学只是方程式。事实上,方程式只是数学的无聊部分。”
  必要时,他专注于可通过“图片和图表”攻克的问题,采用数学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)及其剑桥同事布兰登·卡特(Brandon Carter)在1960年代初期发明的几何技术来研究爱因斯坦的引力理论广义相对论。
  黑洞是该理论的自然预言,它解释了质量和能量如何使得空间“弯曲”,就像睡觉的人使得床垫下陷一样。当光线穿过引力场的时候,它们会发生弯曲。
  一个地方有太多的质量或能量,可能会导致空间无限下陷;一个足够密的物体,就像一颗巨大的坍缩恒星一样,可以像魔术师的斗篷一样将空间包裹起来,然后消失,向内萎缩到一个被称为奇点的无限密度的点,一个宇宙的死胡同,在那里物理学的已知定律会瓦解:黑洞。
  爱因斯坦本人认为,在被人向他指出该可能性时,他觉得很荒谬。
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图:2011年12月,霍金在他在剑桥大学的办公室。对于其在加州制造的语音合成器,他唯一的不满是它给他带来美国口音。
  然而,利用哈勃太空望远镜和其他精细的观测和分析工具,天文学家已经发现了除黑洞以外的数百个太大而且黑暗的物体,其中包括位于银河系中心的一个超大质量物体。根据目前的理论,宇宙应该包含数十亿个那样的物体。
  作为1966年的博士学位论文一部分,霍金指出,当你回头来看宇宙膨胀时,你会发现这样一个奇点得在宇宙历史的某个时候存在;也就是说,空间和时间一定有一个开始。他、彭罗斯博士和一群同事接着发表了一系列关于黑洞行为和卷入其中的任何事物的厄运的定理。
  霍金标志性的突破,源于与以色列(专题)理论物理学家雅各布·贝肯斯坦(当时是普林斯顿大学的一名研究生)对于黑洞是否可以说有熵(对无序状态的热能计量单位)的争执。贝肯斯坦说黑洞有熵,并指出了霍金和他的同事们就黑洞推断出的定律和热力学定律之间的相近的推断。
  霍金则说没有。要有熵,黑洞必须要有温度。但温暖的物体,从额头到星星,会辐射电磁辐射的混合物,具体取决于它们的确切温度。没有什么可以逃脱黑洞,所以它的温度必须为零。霍金回忆说,“我对贝肯斯坦很不满。”
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 图:1979年的霍金。在牛津大学学院,他觉得唯一令人兴奋的学科是宇宙学,因为它研究的是他所说的“大问题:宇宙来自何方?”
  为了解决这个问题,霍金决定探究原子大小的黑洞的属性。然而,这需要将量子力学(原子和亚原子世界自相矛盾的规则)添加到引力中,这是一项从未实现过的壮举。朋友们翻阅量子理论教科书,在好几个月的时间里霍金静静地看着他们翻阅。他们在想他是否终于被难倒了。
  当他最终成功地在脑海中进行计算时,他惊讶地发现粒子和辐射物从黑洞中喷涌而出。当意识到射出的辐射物会具有由从星星到发热的前额的任何温暖物体所发出热量的热线谱特征时,霍金确信他的计算是正确的。贝肯斯坦说得对。
  霍金甚至想出了一种解释粒子可能如何逃离黑洞的方法。根据量子原理,黑洞附近的空间将充满“虚”粒子,这些粒子将以配对的粒子和反粒子对中闪现。
  然后,它们会在一瞬间相遇并相互湮灭。但如果粒子对的其中一个掉入黑洞,另一个会逃逸,并变成真正的粒子。它看似来自黑洞,从黑洞那里获取能量。
  但他警告说,那些只是文字表述而已。真相隐藏在数学里。
  “关于霍金辐射最重要的一点是,它表明黑洞并不与宇宙的其他部分隔绝。”霍金说。
  它也意味着黑洞有温度和熵。在热力学中,熵是余热的计量单位。但它也是信息量的一种计量单位——需要用来描述黑洞里的东西。奇怪的是,信息量是与黑洞的表面积而不是它的体积正相关,这意味着你可填入黑洞的信息量是受其面积的限制,而不是像人们可能认为的那样,受它的体积限制。
  这一结果已成为弦理论的试金石。它也引发了关于我们生活在全息宇宙中,其中的三维空间是某种幻觉的猜测。
  哈佛弦理论家安德鲁·施特罗明格(Andrew Strominger) 如是谈到全息理论,“如果它真的如此,那么它就是我们宇宙的一种深邃而美丽的属性——但这种属性并不显而易见。”
  黑洞辐射的发现,也引发了围绕物体落入黑洞后的命运持续30年的争议。
  霍金最初说,那详解了有关是否任何东西落入黑洞都会永远消失的信息,因为出来的粒子会是完全随机的,消除了它们第一次落入时出现的任何模式。霍金如是解述爱因斯坦对量子力学固有的随机性的抱怨,“上帝不仅与宇宙玩骰子,有时还会把它们扔到它们无法被看见的地方。”
  许多粒子物理学家反对称,这违反了量子物理学的一个原则,即知识总是被保留下来,且可以被检索出来。支持该说法有数十年的斯坦福大学物理学家伦纳德·苏斯金德(Leonard Susskind)说道,“霍金明白,如果这是真的,那么将导致20世纪大部分物理学的倒塌。”
  另一次,苏斯金德当着霍金的面说他是“世界上最固执的人之一;不,他是宇宙中最令人气愤的人。”霍金露齿而笑。
  霍金在2004年认输。无论什么信息进入黑洞,它都会在黑洞爆炸时出来。他悲伤地指出,一个结果是,人们不能用黑洞逃往另一个宇宙。“我很抱歉让科幻迷们失望了。”他说。
  然而,尽管他认输了,但众所周知,信息佯谬已成为理论物理学中最热门和最深入的话题之一。物理学家们说,他们仍然不知道信息如何进入或离开黑洞。
  1974年,霍金当选为世界上最古老的科学组织英国皇家学会院士;1982年,他被任命为剑桥卢卡斯数学教授,这是艾萨克·牛顿(Isaac Newton)曾担任过的职位。“他们说牛顿做过这个位置,但很显然它已经改变了。”他喜欢打趣。
  霍金还每年访问位于帕萨迪纳的加利福尼亚理工学院,该学院像是他的第二个家。2008年,他加入安达略省沃特卢理论物理研究所,担任客座研究员。
  在征服了黑洞以后,霍金将目光投向了宇宙的起源,以及从宇宙学模型排除时间开始时的那个讨厌的奇点。如果物理定律可能在那里瓦解,那它们可能会在任何地方瓦解。
  1982年,在梵蒂冈举行的一次会议上,他说,在终极理论中,在定律瓦解的时候,不应该有地方或时间,即使是在一开始。他称这个概念为“宇宙无边界”设想。
  霍金和加州圣巴巴拉理论物理研究所的詹姆斯·哈特勒(James Hartle)将宇宙的历史设想为一个像地球一样的球体。宇宙时间对应于纬度,从北极的零开始,向南进展。
  虽然时间从那里开始,但北极并没有什么特别之处;那里适用的定律在任何其他地方也适用。霍金说,问在宇宙大爆炸发生之前发生了什么,就像问北极以北一英里有什么东西一样——它不是任何的地方,也不是任何的时间。
  那时,弦理论声称,是“万用理论”的领跑候选者。它最终将重力、其他的力量和自然界的微粒解释为微小的振动弦,就像小提琴上的音符一样。
  在《时间简史》中,霍金总结说,“如果我们确实发现了一个完整的宇宙理论,那么它应该及时为每一个人所理解,而不仅仅是一些科学家可以理解。”
  他补充说,“那么,我们所有人,哲学家,科学家和普通人都能够参与讨论为什么我们和宇宙会存在。”
  “如果我们找到答案,”那么他继续说道,“这会是人类理性的终极胜利。”
  直到1974年,霍金仍然能够自己吃东西和上下床。在妻子简的坚持下,他每天晚上都会在自己的剑桥家中利用双手上楼梯,爬上楼梯,进入卧室,以努力维持自己剩下的肌肉张力。在1980年以后,他的日常生活由护理人员来帮助照料。
  霍金在1985年之前仍有一定的说话能力。但是,在去瑞士旅行时,他患上了肺炎。医生问简她是否希望停止维持他的生命,不过她说不要停止。为了挽救他的生命,医生给他插入了一个呼吸管。他活了下来,但他不再能够发声了。
  一段时间以来,他只能通过指出字母表上的一个个字母来进行沟通。但是,电脑专家沃尔特·沃尔托茨(Walter Woltosz)在听说了霍金的情况后向他提供了一个自己编写的程序Equalizer。通过用他仍能动的手指点击开关,霍金能够浏览包含所有字母和2500多个单词的菜单。
  一个词一个词地——必要时一个字母一个字母地——他能够在电脑屏幕上组成句子,并将它们发送给为他发声的语音合成器。整个装置能够装在他的机动化轮椅上。
  即使没力气动手指了,他也能够通过红外线来与计算机进行通信。他能够通过抽动抽搐右脸颊或眨眼睛来激活红外线。该系统已扩展到可让他打开和关闭办公室的门,以及无需帮助即可使用电话和互联网。
  虽然每分钟平均输出不超过15个单词,但霍金发现,他能够比无法发声前更好地通过电脑来说话。他坦言,他唯一的不满是,在加州制造的语音合成器给他带来美国口音。
  他说,他之所以决定撰写《时间简史》,是因为他希望与“资助他进行研究的公众”分享他对“所作的宇宙发现”的兴奋之情。他想要使得这些想法能够容易为人们所理解,让这本书在机场都有出售。
  他还希望赚到足够的钱来支付子女的教育费用。他做到了。这本书的非凡成功让他变得富有,让他成为世界各地的残疾人心目中的英雄,让他变得更加有名。
  新闻媒体这些年一直密切关注他的各种活动,从访问白宫到会见达拉斯牛仔队的拉拉队队员。媒体也报道他对各种事情的看法,从国家医疗服务制度(英格兰的公费医疗制度助他维持生命)到外星人交流(他说这可能不是一个好主意)。
  在被《新科学家》(New Scientist)杂志问到想的最多的是什么时,霍金回答说,“女人,她们十分神秘。”
  1990年,霍金和他的妻子在结婚25年后分手;简·霍金在两本书《音乐移动群星》(Music to Move the Stars)和《航向无限:我与霍金的日子》(Travelling to Infinity: My Life with Stephen)中写下了他们在一起的时光。2014年的电影《万物理论》正是取材自后一本书。
  1995年,他与在他肺炎发作后一直照顾他的护士伊莱恩·梅森(Elaine Mason)成婚。她的前夫戴维·梅森(David Mason)是位工程师,曾帮助将霍金的语音合成器装在他的轮椅上。
  英国媒体在2004年报道说,剑桥警方正在调查伊莱恩虐待霍金的指控,但没有提起诉讼,霍金本人也进行了澄清。两人于2006年离婚。

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图:霍金于1995年与伊莱恩·梅森(Elaine Mason)结婚
  霍金获得过众多的荣誉,其中一项是:他于1982年被授予英帝国司令勋章。2012年夏天,他在伦敦残奥会开幕式上担当重要角色。唯一缺乏的荣誉就是诺贝尔奖,他对此的解释特别精辟:“诺贝尔奖只是授予经过观察证实的理论研究。而观察我所做的事情是非常非常困难的。”
  霍金是太空探索的积极倡导者,他说这对于人类的长期生存至关重要。“地球上的生命处在越来越大的被一场灾难摧毁的风险当中,比如突然爆发的全球核战争,基因改造的病毒或者我们还没有想到的其他危险。”他在2007年向香港(专题)观众表示。
  然而,没有什么比他对宗教越来越尖锐的言论给他引来更多的争议了。霍金的宇宙无边界设想的一个吸引点是,没有必要诉诸宇宙之外的任何东西来解释宇宙的起源,比如上帝。
  在《时间简史》中,他提到了“上帝的心智”,但是在他与伦纳德·马洛迪诺(Leonard Mlodinow)2011年共同撰写的《大设计》(The Grand Design)一书中,他有关宗教的言论更加冷酷。“没有必要恳求上帝点燃导火纸,”他写道,“来启动宇宙的运行。”
  那年,他在接受《卫报》采访时进一步说道,“我认为大脑是台计算机,当它的组件失效时它就会停止运行。垮掉的计算机没有天堂或来世;那是说给害怕黑暗的人听的谎言。”
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图:霍金将太空探索视为人类长期生存的关键。“地球上的生命处在越来越大的被一场灾难摧毁的风险当中,比如突如其来的全球核战争。”他在2007年说。
  霍金一生中大部分的时间都用来探究黑洞和宇宙末日,对于黑洞,他并不惧怕。
  “它们被命名为黑洞,因为它们与人类对被破坏或吞噬的恐惧有关。”他曾向采访者表示,“我不害怕被抛到黑洞里。我理解它们。我觉得我在某种意义上是它们的主人。”


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