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像霍金一样死去

霍金出生的那天,正是伽利略逝世的300年祭日。霍金去世的今天,则是爱因斯坦的139年诞辰。他的大半生被困在轮椅上,他却说,即便被关在果壳中,他也是无限空间之王。

据说,海德格尔曾这样写了亚里士多德的生平简介:他活过,他死了。言外之意是,比起他脑内的波澜壮阔,俗世的一切都微不足道。

今天霍金去世了。他这一生的发现,永远改变了人类历史。我们希望你知道,他真正留下了什么。

奇点理论:宇宙万物的起点

在霍金修学剑桥时,人们对宇宙诞生的看法还完全不同。当时,两个理论打得不可开交:大爆炸理论认为,宇宙是从一个空间极小、能量极大的状态暴涨而来。稳恒态理论认为,宇宙一开始就像今天这样均匀,并不存在暴涨的过程。

在霍金认识到宇宙的诞生机制前,有两件事给了他启发。

先是发现于1965年的宇宙微波背景辐射。人们发现,宇宙中有极低的能量分布,大约是2.7K温度。但这温度的分布并不均匀。如果宇宙一开始并非均匀,而是由某一状态而来,就能解释这种大尺度的能量分布差异。至今,人类最发射的最遥远的卫星,还在测量这种微小的能量差异。

后是同年被发表的黑洞成因。罗杰·彭罗斯认为,如果一个质量足够大的星体,在生命末期坍缩,它就会形成一个密度无限大、曲率无限大的奇点,即我们认为的黑洞。如果把时空想象成一张床单,质量会导致它下陷,黑洞就是床单两壁交会的结果。

前者给霍金提出了问题:宇宙由何种不均匀状态变化而来?后者给了他启发:存在某种特殊的时空结构。

霍金将黑洞坍缩的过程掉了个个。他认为,宇宙最初是一个类似黑洞的奇点,时空都由这一点暴涨而来。在他的论文发表后,他的导师称他足以比肩牛顿。如今几十年过去,这一理论已被人广泛接受。

霍金蒸发:黑洞寿命的终结

霍金发现,黑洞会缓慢地损失能量,这导致黑洞也有终结时。黑洞的寿命,与它质量的三次方成正比。这被称为“霍金蒸发”,是物理学史上最有名的计算成果之一。

要解释霍金蒸发,需要先知道两个事情。

当质量分布在空间时,它实质扭曲了空间。万有引力即来源于此。如果质量足够大,它附近就会存在一个边界,进入边界后即便光也无法逃脱。对黑洞来说,这个边界被称为黑洞视界。任何进入黑洞视界的物体,都不会再出现在外界的视野中。

在空间中,随机存在着能量涨落,能量又会转化成质量。这意味着,即使在真空中,也会有正负粒子出现,再在极短时间内互相湮灭,将能量归还给空间。从微观、一瞬间来看,能量似乎凭空诞生,又凭空消失,但在长时间大尺度看,能量仍保持守恒。

当涨落发生在黑洞视界附近,神奇的事情就发生了。诞生的正负粒子中,能量为负的粒子可能意外落进黑洞视界,无法再逃出去,能量为正的粒子则逃逸向无穷远。这样,它们就没法再湮灭,把能量归还给真空。

从外界看来,好像是黑洞向外辐射出一个粒子,自己损失了能量。这就是霍金蒸发的机制。

但问题是,霍金蒸发很难被观测到,霍金计算出,一个太阳质量的黑洞,霍金辐射温度仅有十的负7次方K,远低于宇宙背景微波辐射的2.7K。只有一些诞生在宇宙初期,质量合适的黑洞,正好在太阳系内消亡,才有可能为人们所致。至今没有这类观测发生。

霍金这项发现的奇特之处在于,在理论诞生前,并没有观测预示着这种可能。但一经发表,它却彻底改变了人们认知。在人类历史上,另一个巨大的思想实验,即是伽利略脑中的斜塔实验。也正因此,霍金与伽利略的生死恰隔300年,也总为人津津乐道。

科学之外,霍金将永远被人记住

在严肃科学之外,霍金已成为一个符号。你也许不了解他,却无法不受他的影响。就像一颗星星,永远在头顶闪烁。

他撰写的几本书,《果壳中的宇宙》和《时间简史》,向几代人普及了他们生活的宇宙。他曾开玩笑说,自己收到过建议:每往里写一个公式,读者就会减少一半。于是他就只用文字和图片,说清了这个无边的黑色空间。

他做过的几个实验,让严肃的科学讨论广为人知。霍金曾举办“时间旅行者聚会”,邀请未来的人共享蛋糕,但只在聚会结束后才发出请柬。当然,没有人来,霍金因此说,时间旅行是不可能的。人们付之一笑,但平行宇宙等讨论也见诸报端。

霍金活成了一个巨星。他像MJ一样,以不同形象出现在报纸杂志、电视剧和电影中。也许在多年后,人们仍将纪念这个符号,就像那张爱因斯坦吐舌头的照片。

费曼说过,物理学是性感的。霍金则展示了这种性感:一个坐在轮椅上,难动寸步的人,如何用大脑赢下全世界尊重,改变所有人的生活。

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