一谈到霍金,我们大众的第一印象就是身残志坚的大科学家,非常传奇的一生的。霍金 21 岁时患上肌肉萎缩性侧索硬化症(卢伽雷氏症),全身瘫痪,不能言语,手部只有三根手指可以活动,在这样艰难的条件下仍然能够进行复杂的推导和演算,研究理论物理,这是需要多么大的勇气以及毅力。然而,我们反问霍金的科研贡献是什么?非物理专业的大众应该都一脸茫然,毕竟属于比较前沿的研究。另一方面,我们提到爱因斯坦,他的科研贡献是什么,只要不是幼儿园的孩子基本都知道相对论。
 
 
身残志坚的励志故事
斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking),1942 年 1 月 8 日出生于英国牛津,出生当天正好是伽利略逝世 300 年忌日。
 
 
1959 年 17 岁的霍金入读牛津大学的大学学院攻读自然科学,用了很少时间而得到一等荣誉学位,随后转读剑桥大学研究宇宙学。
 
1963 年,21 岁的他不幸被诊断患有肌肉萎缩性侧索硬化症即运动神经细胞病。当时,医生曾诊断身患绝症的他只能活两年,可他一直坚强地活了下来。
 
1965 年,23 岁时他取得了博士学位留在剑桥大学进行研究工作。60 年代后期,霍金的身体状况又开始恶化,行动走路都必须使用拐杖,不再能定期教课。这里就可以解释大家经常纳闷的事情,霍金不是瘫痪吗?怎么生孩子的?在 70 年代以前霍金并没有真正瘫痪。
 
 
70 年代后期,霍金的言语功能逐年退步,只剩下他的家人或密友能够听得懂他的话。为了与其他人通话,他必须依赖翻译。。
 
1985 年拜访欧洲核子研究组织时,霍金感染了严重的肺炎,必须使用维生系统。由于病况危急,霍金必需接受气管切开术,这手术可以帮助他呼吸,但会使他从此以后再也无法发声。
 
2005 年,他开始使用脸颊肌肉的运动来控制他的通讯设备,每分钟大约可以输出一个字。由于这种疾病很可能引起闭锁症候群,霍金正与神经学专家研发出一套新系统,让电脑将他的脑波图样翻译为词句。
 
2009 年,他不再能独立驾驶他的轮椅,他的呼吸越加困难,时常需要使用人工呼吸器,还有几次严重到需要去医院诊疗。
 
2018 年 3 月 14 日,霍金逝世,享年 76 岁。
 
曾经一位年轻的女记者面对这位在轮椅里生活了三十余年的科学巨匠,深深景仰之余,又不无悲悯地问:“霍金先生,卢伽雷病已将你永远固定在轮椅上,你不认为命运让你失去太多了吗?”
 
 

 

这个问题显然有些突兀和尖锐,报告厅内顿时鸦雀无声,一片肃谧。霍金的脸庞却依然充满恬静的微笑,他用还能活动的手指,艰难地叩击键盘, 于是,随着合成器发出的标准伦敦音,宽大的投影屏上缓慢然而醒目地显示出如下一段文字:
 
我的手指还能活动,
 
我的大脑还能思维,
 
我有终生追求的理想,
 
有我爱和爱我的亲人和朋友;
 
对了,我还有一颗感恩的心……
 
心灵的震颤之后,掌声雷动。人们纷纷涌向台前,簇拥着这位非凡的科学家,向他表示由衷的敬意。
 
人们深受感动的并不是他曾经遭受的苦难,而是他直面苦难时的坚守、乐观和勇气。人生如花开花谢、潮涨潮落,有得便有失,有苦也有乐;如果谁总自以为失去的太多,总受到这个意念的折磨,谁才是最不幸的人。
 
 
 
霍金正是在这种一般人难以置信的艰难中,成为世界公认的杰出天体物理学家。这种艰难不仅仅是身体的,更重要的是精神上的负担。当霍金刚得知自己患罕见的肌肉萎缩性侧索硬化症(卢伽雷氏症)并且寿命只剩两年,他也是万念俱灰,顿时没有了任何生机,然而没有多久霍金就调整好自己的心态,利用有限的时间继续物理研究。然而就算是这一点,我们芸芸大众就很少有人做得到,大部分人会直接颓废,及时行乐,度完自己最后的时光。
 
霍金的不懈努力感动了上帝,他成功了突破了两年魔咒,但是上帝并没有眷顾他,肌肉萎缩性侧索硬化症病情不断的加重,全身瘫痪,不能言语,只有三根手指可以动,在这种艰难条件下继续研究理论物理,对于大部分物理学家,这简直就是天方夜谈,虽然有电脑软件协助霍金阅读文献和交流,但是和正常人相比效率十分低下,可能连正常人十分之一的速度都不如。看书必须依赖一种翻书页的机器,读文献时需要请人将每一页都摊在大桌子上,然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读。理论物理研究中有大量的复杂公式推导,这些推导电脑软件很难发挥作用,在这里不得不提到霍金智商很高,至少他的记忆力和心算能力非常强,他自己发展出一种替代的视觉性方法,他在脑里形成各种不同的心智图案与心智方程,他可以用这些心智元素来思考物理问题。霍金的能力放在《最强大脑》节目中,绝对可以轻松夺冠。物理学者维尔纳‧以色列表示,霍金的思考过程,有如莫扎特只凭借想象就写出一整首极具特色的交响乐曲。
 
高尔基说过:“在自然剥夺了人类用四肢走路的本领时,它就给予他一根拐杖,那就是理想。”而霍金无疑为这句话做了最完美的诠释。对霍金而言,“人生的斗士、智慧的英雄”这些绝不是什么溢美之词,他以瘦弱之躯挑战生理极限的勇气以及霍金式的顽皮笑容都向世人证明了:他赢了!感动了一代又一代的人,每个人都应该成为自己命运的主宰,都应该对自己的生活有自己的主见,拥有自己的梦想,并全力以赴为之奋斗。
 
霍金的科研贡献
霍金在剑桥大学任牛顿曾担任过的卢卡逊数学讲座教授之职,他的黑洞蒸发理论和量子宇宙论推动了天体物理学的发展,并且对哲学和宗教也有一定的影响。霍金是一位杰出的理论物理学家,一位伟大的历史人物。如果你是一个对物理学没有太多兴趣的人,让你说出几个伟大的物理学家,你首先一定会想到牛顿和爱因斯坦,如果再问你当代最伟大的物理学家,我想你恐怕只能想起霍金了!诚然如此,霍金的知名度简直太大了!霍金的成就与这几位前辈相比又如何呢?他有资格跻身科学名人堂吗?让我们看看他在学术界的工作:
 
 
1 霍金辐射
这是在经典广义相对论下的黑洞理论中,引入量子场论,得到黑洞可以蒸发的结论。首先科普下什么是黑洞?黑洞是爱因斯坦的相对论预见的产物。1916 年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”,物质只要进入黑洞的这个边界便再也没有机会逃脱,只进不出,甚至是光线也是一样,因而黑洞是看不见的。这种“不可思议的天体”就形象地称为是“黑洞”,这种形象的称呼是由美国物理学家约翰·惠勒提出。
 
 
 
那人类是如何观测到黑洞的呢?,比如观察双星现象,通过观察那些将被黑洞吞噬的物质会盘旋下降形成一个吸积盘,以间接方式得知黑洞的存在。有了这些理论和天文现象的为基础,就可以进一步研究黑洞了。)这是霍金最重要的贡献,因为黑洞是目前宇宙学中理论基础和观测事实相对充分的天体,但霍金辐射的可观测性是微乎其微的,不论是直接证据还是间接证据,即使一个黑洞能够蒸发,或许也需要几亿年的时间。
 
2 奇点定理
在广义相对论的框架下,霍金和罗杰彭罗斯一起证明了在宇宙时空中存在奇点,黑洞中的奇点是时间终结点,大爆炸的初始奇点是时间开始点,奇性定理目前被广泛的接受为宇宙学的一个成熟的观点,可以在众多著作中见到阐述。但是,奇点是时空中一个特定的点,密度无限大,时空曲率无限大,体积无限小的一个点,这理论上已经达到了普朗克尺度,此时量子力学或许应该可以起到作用(如果量子力学仍然是有效的),所以这有一个比较矛盾的地方,更具广义相对论可以预言存在奇点,而在奇点处广义相对论或许是失效的,量子力学或许起到关键作用。
 
 

 

3 有界无边宇宙模型
这实际是现代宇宙学之父爱因斯坦对宇宙模型的阐述,但是霍金推进了这一观点。这个观点可以通俗的用皮球来对比,一个蚂蚁在皮球上爬,永远都看不到这个球的边,因为没有边,而这个球本身的体积,所占空间是有限的(有界)。因为人类不能感受和想象四维以上的时空,不可能构想出真实的宇宙到底是什么样子,或许我们现在看到的只是多维宇宙中的三个维度而已。
 
 
霍金的主要工作都作于上世纪 60 年代末 70 年代初黑洞研究大发展时期,他的早期工作对引力与黑洞领域起到了非常大的促进作用。在统一 20 世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和波尔创立的量子力学方面做出了一些贡献。霍金的工作是宇宙学中非常重要的一部分,但并不是基础开创性的,很明显宇宙学的基础是广义相对论,而其中很多复杂的问题要统一量子力学才有可能解决,而霍金在这方面作了许多努力。
 
物理学的发展历程
这里可以科普下物理学的发展过程以及其中开创性的工作,物理学上第一个划时代的发展就是牛顿建立起经典力学的框架牛顿三大定律以及万有引力定律,经典力学把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平,牛顿把天上的运动和地上的运动统一起来,实现了天上力学和地上力学的大综合,从力学上证明了自然界的统一性,这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合,它开辟了一个新时代,并且奠定了第一次工业革命的科学基础。
 
 
第二个划时代的发展就是法拉第和麦克斯韦建立的经典电磁场理论,19 世纪下半叶,麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律,并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是:变化着的电场能产生磁场;变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组,是经典电磁学的基本方程。跳出经典力学框架的束缚:在物理上以"场"而不是以"力"作为基本的研究对象,在数学上引入了有别于经典数学的矢量偏微分运算,实际上麦克斯韦的工作已经冲破经典物理学和经典数学的框架。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在,其传播速度等于光速,这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律,肯定了光也是一种电磁波。为第二次工业革命奠定了基础,发电机利用电动力学的规律,将机械能转化为电磁能,电动机是利用电动力学的规律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电、电灯也无一不是经典电磁学发展的产物。
 
 
第三次划时代的发展起源于经典物理学大楼上的两朵“乌云”,其中一朵由爱因斯坦解决,建立了狭义相对论,另一朵则是由波尔带领的一大批年轻物理学家(海森伯、泡利、狄拉克、德布罗意、薛定谔等)建立的量子力学解决,原本以为物理学大楼只需要修修补补,然而新理论的建立却将物理大楼直接拆迁重建,打开了新世界的大门,新的理论完全打破人们对世界已有的认识,相对论打破了绝对的时空观念,引入相对的时间与空间概念。而量子力学告诉我们世界是不连续的,打破我们以往物质与能量连续的概念。相对论和量子力学为人类认识世界奠定了坚实基础,原子能、半导体、超导、激光等都依赖于这一基础,它不仅深刻影响到物理学的发展,而且直接导致了半导体、计算机、光通讯等一系列高新技术产业的产生和发展。
 
 
显然从物理学发展历史来看,牛顿和爱因斯坦绝对是教父级别的,诚然霍金十分伟大,但是还是不能和他们二位相提并论的。在西方甚至全球物理学的象牙塔里,从未有物理学权威机构正式授予霍金“第一”的荣誉称号,只有供职单位对他有过“之一”的荣誉评价。最近,国内网上各种“最伟大的科学家”逝世、“最聪明的大脑”离开了、“爱因斯坦之后的第一人”去世等等不实文章就在网上泛滥开来。外国媒体对他去世的讣告内容是:“著名物理学家史蒂芬·霍金去世,享年 76 岁。”
 
然而,他对于物理学的科普贡献绝对是无人能比的。他写作出版的《时间简史》《果壳里的宇宙》为广大人民群众(不懂物理的一般人)简介了一些常见的现代物理理论,使更多的人了解到物理。《时间简史》自 1988 年首版以来,已被翻译成 40 种文字,累计销售量达 2500 万册,成为一本畅销全世界的科学著作。
 
有一个段子是这样的:火车上,一个美国富商正津津有味的读着时间简史,一位老者凑了过来问他正在读什么。那位富商就说:
 
“时间简史,你没读过吗?”
 
“没”
 
于是富商开始向老者谈起时间简史和里边的内容。当火车快到站时,富商讲完了,这才想起来询问老者的职业。老人微微一笑,说:
 
“哦。我是前苏联科学院院士。”
 
虽然这个段子有点讽刺意味,但是能侧面表明霍金科普工作做得很好,让大众能够轻松地谈论(可能是假装喜欢谈论,显得自己比较高大上)高深的物理,我们必须要明确科研与科普是完全不同的概念。霍金写作的《时间简史》浅显易懂,致使大多数人觉得物理比较简单,从而能够让大众愿意了解物理。激励更多的年轻才俊投入物理研究中,为物理学的发展奠定了坚实的基础。霍金的去世标志着物理学“明星时代”的结束,很难再有会像霍金一样的传奇人生,向全人类闪耀物理学的思想。