霍金和他的宇宙

豆瓣读书

2018-03-15

据英国天空新闻当地时间3月14日凌晨3时46分报道,英国物理学家史蒂芬·霍金(Stephen William Hawking)去世,享年76岁。

他的离世受到了世界的关注,来自物理学界、政界、航天界、影视界等各界名人和机构也纷纷通过社交媒体进行悼念。

1985年,霍金因肺炎而渐丧失说话能力。他只能靠右眼的肌肉移动特制眼镜的按钮,操作发声器“讲话”。1988年,霍金出版《时间简史》,解释宇宙、黑洞和大爆炸等天文物理学理论。

《时间简史》被译成40余种文字,出版逾1000万册,但因书中内容极其艰涩,很多人买回家并不看,因此被戏称为“读不来的畅销书”。

作为一名科幻迷,我曾经问过物理学专业的同学《时间简史》的科普价值到底有多少,他回答事实上这本书后一半内容提到的各种概念他完全不懂。

物理学很大,原子分子物理、粒子物理、凝聚态、等离子体、天文之间有很多差异,这些领域每一个又可以细分成很多个方向。虽然现在有一些交叉学科,但是大多数情况下隔行如隔山。《时间简史》作为一本没有数学和公式的科普读物,涉及的范围已经过分超出了普通人的接受。

之所以一开始做出这样的结论,不是对它有什么质疑,而是想先把它从神坛下解放出来,再认认真真不带偏见地谈谈这本书和这个人以及这个生活了140亿年的宇宙。毕竟,仰望星空,思考我从哪里来,是一个人一定会做的一件事不是吗?那么这本书就有它被阅读的意义。

关于《时间简史》

正如上文所说,《时间简史》是霍金撰写的一本有关宇宙学的著作,是一部尝试将高深的理论物理通俗化的科普作品。全书一共十二章,再加上阿尔伯特?爱因斯坦,伽利略?伽利雷,艾萨克?牛顿三位物理学奠基人的小传和一个解释名词的小辞典。物理学的圣经倒有些名过其实,毕竟这是一本1988年出版的物理科普读物,大约30年又过去了,物理学特别是宇宙学又取得了一些新的进展,如2012年希格斯玻色子在美国费米国家加速器实验室被发现。

作为一个文科生,吸引我读下去的最初动力是序言中的这段话:“有人告诉我说,我的书里每出现一条科学公式,就会导致销售量下降一半。当我再度在书的结尾处放上爱因斯坦的著名公式E=MC2的时候,我希望不会吓走我一半的潜在读者。”读到这个地方突然笑出声来,我想这个浑身瘫痪连一个正常的表情都做不出来的老爷爷其实心里是一个非常活泼可爱的人,后来看到他和索恩用一年的《阁楼》(注:美国男性成人杂志)打赌天蝎座X-1是否包含黑洞,又是忍不住哈哈大笑了一番。

再看这句话:“我们生活在一个宽约为10万光年并慢慢旋转着的星系中,在它的螺旋臂上的恒星绕着它的中心公转一圈大约花几亿年。”

没有一丝情感表达,单纯描绘事实,可是偏偏能在瞬间击中人的内心,这是科学的力量和美感,也是霍教授几乎一辈子没有离开轮椅却依然无数次想象宇宙图景的执着和热忱。一个幽默风趣会讲笑话的老头怀着如火炭燃烧般赤诚,用两根手指1分钟15个单词的速度吃力地打字想和我们交流,这样已经足够构成这本书的阅读价值了。至今有一些让我读着非常感动的书,如想要“通古今之变究天人之际”的《史记》,如“满纸荒唐言一把辛酸泪”的《红楼》,还有这本霍教授的《时间简史》,这些人真的是把自己的命都写进了书里。

关于宇宙学

《时间简史》中介绍的近现代宇宙学的发展历程大概如下(摘录于百度百科“《时间简史》”词条):“从“亚里士多德”到“托勒密的地心说”到“哥白尼-伽利略的日心说”的演化大概花了2000年的时间。到了20世纪20年代哈勃发现了红移定律后,宇宙演化的观念才进入人类的意识。牛顿的万有引力定律表明,宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态。即使在爱因斯坦的广义相对论中,为了得到一个稳定的宇宙模型,曾将宇宙常数引进理论中。他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型。

哈勃发现,从星系光谱的红移可以推断,越远的星系以越快的速度离开我们而去,这表明整个宇宙处于膨胀的状态。从时间上倒溯到过去,估计在100亿到200亿年前,曾经发生过一桩开天辟地的大事件,即宇宙从一个极其紧致、极热的状态中大爆炸而产生。伽莫夫在1948年发表的一篇关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言,早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围,不过由于宇宙膨胀引起的红移,其绝对温度只余下几度左右,在这种温度下,辐射是处于微波的波段。但在1965年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前,人们并不认真对待此预言。

一般认为,爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典广义相对论的框架里,霍金和彭罗斯证明了,在很一般的条件下,空间-时间一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处,所有定律以及可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条件,才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给 定,所以宇宙的命运就操纵在造物主的手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动力的问题。

如果空间-时间没有边界,则就不必劳驾上帝进行第一推动了。这只有在量子引力论中才能做到。霍金认为宇宙的量子态是处于一种基态,空间-时间可看成一有限无界的四维面,正如地球的表面一样,只不过多了两个维数而已。宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。从一些简单的模型计算可得出和天文观测相一致的推论,如星系、恒星等等的成团结构,大尺度的各向同性和均匀性,空间-时间的平性,即空间-时间基本上是平坦的,并因此才使得星系乃至生命的发展成为可能,还有时间的方向箭头等等。霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学,它是一个自足的理论,即在原则上,单凭科学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来。”

我个人认为在天文学中比较浪漫的一个事实是构成我们的物质其实就是百亿年年前恒星爆炸后喷洒出来的元素。一代代的星星死亡,它们留下的元素又构成了新的物质,从这些物质中诞生了五彩缤纷的生命。而当我们死去,我们作为元素或者辐射飘荡在空旷荒芜的宇宙坟墓,百万年前电台娱乐节目的电波依然以每秒30万公里的速度向远方传播,和我们生前没什么不同。太空歌剧科幻小说家一定会喜欢这样的题材。

关于霍金

这是一个传奇性的人物,随着2014年霍金传记电影《万物理论》的上映以及霍教授对与外星人接触的种种警告,和他有关的争论又浮出公众视野。

爱情史方面不多说,那是教授的家里事,也没有什么对错判断可言。在科学上霍金有两个主要贡献:奇点定理(1970)与霍金辐射(1974),加上他对宇宙学发展的支持和推动以及对超弦理论的部分帮助。在科普上能够吸引普通群众的目光到宇宙,时空,理论物理这样的话题他是理所当然的第一人。至于作为一位大半生困在轮椅上的人几十年如一日坚持科研和写作,与命运抗争的精神在某种程度上的确给了很多人激励(以及作为中国高考学生的素材)。

但我会去看他的书,主要原因是觉得他应该是我喜欢的那种人,飞扬跳脱,永远保持着好奇心,永不认输,永远能找到生活的新的乐趣。

《科学轶话》里记载了霍金的四次赌局,第一次是上文提到的天蝎座X-1的黑洞,第二次是裸奇点的存在,第三次是黑洞是否吞噬信息,第四次是希格斯玻色子的存在。赌注分别是一年的《阁楼》,100英镑和印有承认失败文字的T恤衫,板球百科全书,100美金。在第一次赌局中他本人的立场其实是希望X1是黑洞,但为了避免自己出错而使一切努力付之东流,他选择将赌注下在了自己的对面。这样的故事足够让读者为了他小小的机智和幽默而会心一笑吧。同时,霍教授在对待自己的错误承认的相当坦率和诚实,这对于一个任职剑桥大学卢卡斯数学教授的人来说是非常难得的,至少比他的前任牛顿做的好。

还有一些其他的逸闻轶事,如《生活大爆炸》第五季第21集中,本色出演参与了客串,与Pink Floyd合作单曲《Talkin'Hawkin》,接受“冰桶挑战”(子女代其冰水浇头)等等。如果他能够站起来,会更加活跃在世界的舞台上吧。

无论如何,有一个瘫在轮椅上只能靠几块肌肉抽动和我们交流的老爷爷陪我们预测外星人的存在或者世界杯的比分不也是挺好的。

结语

今何在在《十亿光年》里说:“也许世界上第一个人类曾经仰望着那样的天空,然后不可遏制的浑身战栗,认为自己看到了神的面孔和宇宙的真相。这种恐惧一直被埋藏在他的DNA链中,被代代相传,深埋在每一个人的内心。所以人们害怕天空,害怕高处,害怕孤寂、害怕寒冷。”

那么换一种说法,对神的面孔和宇宙的真相的好奇也早已深埋在我们的DNA链中,敬畏和好奇,本身就是一对双生花。

如果要再加上一点,那就是对终极美的追求。

“When stars are born, and when they die, they emit UV radiation. So if we could see the night sky in the ultraviolet light, then almost all the stars would disappear and all that we would see are these spectacular births and death.”

(“当一颗星星诞生和死亡的时候,他们会放射出紫外线,如果我们在紫外光线下观察夜空,几乎所有的星星都会消失,我们会看到的只有这些壮丽的诞生和死亡。”)

这是《万物理论》中霍金的一段台词,宇宙星辰的诞生和死亡以光波的形式表现出来,交织飞舞在漆黑冰冷的宇宙大背景上,还有什么比这更深刻的感动。

我们为什么要读《时间简史》,为什么要认识霍金,为什么要仰望星空?

因为,你能想象人类失去对未知的好奇吗?

我们就是要一辈子去探索,去发现,去了解真相。

我们就是要一辈子用力活着,把生命活出价值。


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