物理博士帶你認識一個真實的霍金

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一談到霍金，我們大眾的第一印象就是身殘志堅的大科學家，非常傳奇的一生的。霍金21歲時患上肌肉萎縮性側索硬化症（盧伽雷氏症），全身癱瘓，不能言語，手部只有三根手指可以活動，在這樣艱難的條件下仍然能夠進行複雜的推導和演算，研究理論物理，這是需要多麼大的勇氣以及毅力。然而，我們反問霍金的科研貢獻是什麼？非物理專業的大眾應該都一臉茫然，畢竟屬於比較前沿的研究。另一方面，我們提到愛因斯坦，他的科研貢獻是什麼，只要不是幼兒園的孩子基本都知道相對論。

身殘志堅的勵志故事

斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），1942年1月8日出生於英國牛津，出生當天正好是伽利略逝世300年忌日。

1959年17歲的霍金入讀牛津大學的大學學院攻讀自然科學，用了很少時間而得到一等榮譽學位，隨後轉讀劍橋大學研究宇宙學。

1963年，21歲的他不幸被診斷患有肌肉萎縮性側索硬化症即運動神經細胞病。當時，醫生曾診斷身患絕症的他只能活兩年，可他一直堅強地活了下來。

1965年，23歲時他取得了博士學位留在劍橋大學進行研究工作。60年代後期，霍金的身體狀況又開始惡化，行動走路都必須使用拐杖，不再能定期教課。這裡就可以解釋大家經常納悶的事情，霍金不是癱瘓嗎?怎麼生孩子的？在70年代以前霍金並沒有真正癱瘓。

70年代後期，霍金的言語功能逐年退步，只剩下他的家人或密友能夠聽得懂他的話。為了與其他人通話，他必須依賴翻譯。。

1985年拜訪歐洲核子研究組織時，霍金感染了嚴重的肺炎，必須使用維生系統。由於病況危急，霍金必需接受氣管切開術,這手術可以幫助他呼吸，但會使他從此以後再也無法發聲。

2005年，他開始使用臉頰肌肉的運動來控制他的通訊設備，每分鐘大約可以輸出一個字。由於這種疾病很可能引起閉鎖症候群，霍金正與神經學專家研發出一套新系統，讓電腦將他的腦波圖樣翻譯為詞句。

2009年，他不再能獨立駕駛他的輪椅，他的呼吸越加困難，時常需要使用人工呼吸器，還有幾次嚴重到需要去醫院診療。

2018年3月14日，霍金逝世，享年76歲。

曾經一位年輕的女記者面對這位在輪椅里生活了三十餘年的科學巨匠，深深景仰之餘，又不無悲憫地問：「霍金先生，盧伽雷病已將你永遠固定在輪椅上，你不認為命運讓你失去太多了嗎?」

這個問題顯然有些突兀和尖銳，報告廳內頓時鴉雀無聲，一片肅謐。霍金的臉龐卻依然充滿恬靜的微笑，他用還能活動的手指，艱難地叩擊鍵盤, 於是，隨著合成器發出的標準倫敦音，寬大的投影屏上緩慢然而醒目地顯示出如下一段文字：

我的手指還能活動，

我的大腦還能思維，

我有終生追求的理想，

有我愛和愛我的親人和朋友;

對了，我還有一顆感恩的心……

心靈的震顫之後，掌聲雷動。人們紛紛湧向台前，簇擁著這位非凡的科學家，向他表示由衷的敬意。

人們深受感動的並不是他曾經遭受的苦難，而是他直面苦難時的堅守、樂觀和勇氣。人生如花開花謝、潮漲潮落，有得便有失，有苦也有樂；如果誰總自以為失去的太多，總受到這個意念的折磨，誰才是最不幸的人。

霍金正是在這種一般人難以置信的艱難中，成為世界公認的傑出天體物理學家。這種艱難不僅僅是身體的，更重要的是精神上的負擔。當霍金剛得知自己患罕見的肌肉萎縮性側索硬化症（盧伽雷氏症）並且壽命只剩兩年，他也是萬念俱灰，頓時沒有了任何生機，然而沒有多久霍金就調整好自己的心態，利用有限的時間繼續物理研究。然而就算是這一點，我們芸芸大眾就很少有人做得到，大部分人會直接頹廢，及時行樂，度完自己最後的時光。

霍金的不懈努力感動了上帝，他成功了突破了兩年魔咒，但是上帝並沒有眷顧他，肌肉萎縮性側索硬化症病情不斷的加重，全身癱瘓，不能言語，只有三根手指可以動，在這種艱難條件下繼續研究理論物理，對於大部分物理學家，這簡直就是天方夜談，雖然有電腦軟體協助霍金閱讀文獻和交流，但是和正常人相比效率十分低下，可能連正常人十分之一的速度都不如。看書必須依賴一種翻書頁的機器,讀文獻時需要請人將每一頁都攤在大桌子上,然後他驅動輪椅如蠶吃桑葉般地逐頁閱讀。理論物理研究中有大量的複雜公式推導，這些推導電腦軟體很難發揮作用，在這裡不得不提到霍金智商很高，至少他的記憶力和心算能力非常強，他自己發展出一種替代的視覺性方法，他在腦里形成各種不同的心智圖案與心智方程，他可以用這些心智元素來思考物理問題。霍金的能力放在《最強大腦》節目中，絕對可以輕鬆奪冠。物理學者維爾納?以色列表示，霍金的思考過程，有如莫扎特只憑藉想像就寫出一整首極具特色的交響樂曲。

高爾基說過：「在自然剝奪了人類用四肢走路的本領時，它就給予他一根拐杖，那就是理想。」而霍金無疑為這句話做了最完美的詮釋。對霍金而言，「人生的鬥士、智慧的英雄」這些絕不是什麼溢美之詞，他以瘦弱之軀挑戰生理極限的勇氣以及霍金式的頑皮笑容都向世人證明了：他贏了!感動了一代又一代的人，每個人都應該成為自己命運的主宰，都應該對自己的生活有自己的主見，擁有自己的夢想，並全力以赴為之奮鬥。

霍金的科研貢獻

霍金在劍橋大學任牛頓曾擔任過的盧卡遜數學講座教授之職，他的黑洞蒸發理論和量子宇宙論推動了天體物理學的發展，並且對哲學和宗教也有一定的影響。霍金是一位傑出的理論物理學家，一位偉大的歷史人物。如果你是一個對物理學沒有太多興趣的人，讓你說出幾個偉大的物理學家，你首先一定會想到牛頓和愛因斯坦，如果再問你當代最偉大的物理學家，我想你恐怕只能想起霍金了！誠然如此，霍金的知名度簡直太大了！霍金的成就與這幾位前輩相比又如何呢？他有資格躋身科學名人堂嗎？讓我們看看他在學術界的工作：

1

霍金輻射

這是在經典廣義相對論下的黑洞理論中，引入量子場論，得到黑洞可以蒸發的結論。首先科普下什麼是黑洞？黑洞是愛因斯坦的相對論預見的產物。1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，這個解表明，如果將大量物質集中於空間一點，其周圍會產生奇異的現象，即在質點周圍存在一個界面——「視界」，物質只要進入黑洞的這個邊界便再也沒有機會逃脫，只進不出，甚至是光線也是一樣，因而黑洞是看不見的。這種「不可思議的天體」就形象地稱為是「黑洞」，這種形象的稱呼是由美國物理學家約翰·惠勒提出。

那人類是如何觀測到黑洞的呢？，比如觀察雙星現象，通過觀察那些將被黑洞吞噬的物質會盤旋下降形成一個吸積盤，以間接方式得知黑洞的存在。有了這些理論和天文現象的為基礎，就可以進一步研究黑洞了。)這是霍金最重要的貢獻，因為黑洞是目前宇宙學中理論基礎和觀測事實相對充分的天體，但霍金輻射的可觀測性是微乎其微的，不論是直接證據還是間接證據，即使一個黑洞能夠蒸發，或許也需要幾億年的時間。

2

奇點定理

在廣義相對論的框架下，霍金和羅傑彭羅斯一起證明了在宇宙時空中存在奇點，黑洞中的奇點是時間終結點，大爆炸的初始奇點是時間開始點，奇性定理目前被廣泛的接受為宇宙學的一個成熟的觀點，可以在眾多著作中見到闡述。但是，奇點是時空中一個特定的點，密度無限大，時空曲率無限大，體積無限小的一個點，這理論上已經達到了普朗克尺度，此時量子力學或許應該可以起到作用（如果量子力學仍然是有效的），所以這有一個比較矛盾的地方，更具廣義相對論可以預言存在奇點，而在奇點處廣義相對論或許是失效的，量子力學或許起到關鍵作用。

3

有界無邊宇宙模型

這實際是現代宇宙學之父愛因斯坦對宇宙模型的闡述，但是霍金推進了這一觀點。這個觀點可以通俗的用皮球來對比，一個螞蟻在皮球上爬，永遠都看不到這個球的邊，因為沒有邊，而這個球本身的體積，所佔空間是有限的（有界）。因為人類不能感受和想像四維以上的時空，不可能構想出真實的宇宙到底是什麼樣子，或許我們現在看到的只是多維宇宙中的三個維度而已。

霍金的主要工作都作於上世紀60年代末70年代初黑洞研究大發展時期，他的早期工作對引力與黑洞領域起到了非常大的促進作用。在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和波爾創立的量子力學方面做出了一些貢獻。霍金的工作是宇宙學中非常重要的一部分，但並不是基礎開創性的，很明顯宇宙學的基礎是廣義相對論，而其中很多複雜的問題要統一量子力學才有可能解決，而霍金在這方面作了許多努力。

物理學的發展歷程

這裡可以科普下物理學的發展過程以及其中開創性的工作，物理學上第一個劃時代的發展就是牛頓建立起經典力學的框架牛頓三大定律以及萬有引力定律，經典力學把人類對整個自然界的認識推進到一個新水平，牛頓把天上的運動和地上的運動統一起來，實現了天上力學和地上力學的大綜合，從力學上證明了自然界的統一性，這是人類認識自然歷史的第一次大飛躍和理論大綜合，它開闢了一個新時代，並且奠定了第一次工業革命的科學基礎。

第二個劃時代的發展就是法拉第和麥克斯韋建立的經典電磁場理論，19世紀下半葉，麥克斯韋總結了宏觀電磁現象的規律，並引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場；變化著的磁場也能產生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現象的基本規律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經典電磁學的基本方程。跳出經典力學框架的束縛：在物理上以"場"而不是以"力"作為基本的研究對象,在數學上引入了有別於經典數學的矢量偏微分運算,實際上麥克斯韋的工作已經衝破經典物理學和經典數學的框架。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等於光速，這一預言後來為赫茲的實驗所證實。於是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現象的規律，肯定了光也是一種電磁波。為第二次工業革命奠定了基礎，發電機利用電動力學的規律，將機械能轉化為電磁能,電動機是利用電動力學的規律將電磁能轉化為機械能。電報、電話、無線電、電燈也無一不是經典電磁學發展的產物。

第三次劃時代的發展起源於經典物理學大樓上的兩朵「烏雲」，其中一朵由愛因斯坦解決，建立了狹義相對論，另一朵則是由波爾帶領的一大批年輕物理學家（海森伯、泡利、狄拉克、德布羅意、薛定諤等）建立的量子力學解決，原本以為物理學大樓只需要修修補補，然而新理論的建立卻將物理大樓直接拆遷重建，打開了新世界的大門，新的理論完全打破人們對世界已有的認識，相對論打破了絕對的時空觀念，引入相對的時間與空間概念。而量子力學告訴我們世界是不連續的，打破我們以往物質與能量連續的概念。相對論和量子力學為人類認識世界奠定了堅實基礎，原子能、半導體、超導、激光等都依賴於這一基礎，它不僅深刻影響到物理學的發展，而且直接導致了半導體、計算機、光通訊等一系列高新技術產業的產生和發展。

顯然從物理學發展歷史來看，牛頓和愛因斯坦絕對是教父級別的，誠然霍金十分偉大，但是還是不能和他們二位相提並論的。在西方甚至全球物理學的象牙塔里，從未有物理學權威機構正式授予霍金「第一」的榮譽稱號，只有供職單位對他有過「之一」的榮譽評價。最近，國內網上各種「最偉大的科學家」逝世、「最聰明的大腦」離開了、「愛因斯坦之後的第一人」去世等等不實文章就在網上泛濫開來。外國媒體對他去世的訃告內容是：「著名物理學家史蒂芬·霍金去世，享年76歲。」

然而，他對於物理學的科普貢獻絕對是無人能比的。他寫作出版的《時間簡史》《果殼裡的宇宙》為廣大人民群眾（不懂物理的一般人）簡介了一些常見的現代物理理論，使更多的人了解到物理。《時間簡史》自1988年首版以來，已被翻譯成40種文字，累計銷售量達2500萬冊，成為一本暢銷全世界的科學著作。

有一個段子是這樣的：火車上，一個美國富商正津津有味的讀著時間簡史，一位老者湊了過來問他正在讀什麼。那位富商就說：

「時間簡史，你沒讀過嗎？」

「沒」

於是富商開始向老者談起時間簡史和裡邊的內容。當火車快到站時，富商講完了，這才想起來詢問老者的職業。老人微微一笑，說：

「哦。我是前蘇聯科學院院士。」

雖然這個段子有點諷刺意味，但是能側面表明霍金科普工作做得很好，讓大眾能夠輕鬆地談論（可能是假裝喜歡談論，顯得自己比較高大上）高深的物理，我們必須要明確科研與科普是完全不同的概念。霍金寫作的《時間簡史》淺顯易懂，致使大多數人覺得物理比較簡單，從而能夠讓大眾願意了解物理。激勵更多的年輕才俊投入物理研究中，為物理學的發展奠定了堅實的基礎。霍金的去世標誌著物理學「明星時代」的結束，很難再有會像霍金一樣的傳奇人生，向全人類閃耀物理學的思想。

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作者：張佳浩

審稿：孫培傑

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編輯：zkai

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