一颗神奇的脑袋与“黑洞不黑”

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2017-07-10 苟利军 知识分子

剑桥大学的史蒂芬霍金教授恐怕是当今最为知名的科学家之一， 拍摄/Richard Ansett，英国国家肖像馆收藏
撰文 | 苟利军
责编 | 陈晓雪
《知识分子》微信公众号：The-Intellectual
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当我们提起史蒂芬·史蒂芬霍金（Stephen Hawking），会想到些什么？或许是以下这几点。
第一，他始终以奇特的姿势坐在一只带屏幕的轮椅上，曾在《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）中出现的电子声表达着这颗伟大头脑的所思所想，曾在《星际迷航》（Star Trek）中和牛顿、爱因斯坦一起打桥牌。第二，他的《时间简史》（A Brief History of Time）几乎人人皆知，据说全球已卖出几千万册，跻身“销量仅次于圣经”的几本书之列。第三，他去年4月开通了新浪微博，更新甚少却坐拥433万中国粉丝。第四，在电影《万物理论》（The Theory of Everything）中，英国男演员埃迪·雷德梅恩（Eddie Redmayne）扮演青年史蒂芬霍金惟妙惟肖，催人泪下，亦凭借该片夺得2015年奥斯卡影帝。第五，史蒂芬霍金近年来为人类的命运深感担忧，他一方面坚信外星文明不怀好意，人类一定要藏好自己在宇宙中的行迹，另一方面地球资源消耗殆尽，人类应加快太空殖民的计划。就在刚刚过去的6月20日，他在挪威斯塔尔马节(Starmus Festival)上的最新观点是：人类需要在2020年完成月球登陆，世界各国协同努力在接下来30年内建立一个月球基地，并在2025年前将人类送到火星。
真是一颗神奇的脑袋。
“在我21岁时，我的期望变成了零。” 21岁那一年，史蒂芬霍金被诊断患有卢伽雷氏症，即肌肉萎缩性侧索硬化症，医生告诉他剩下的时间不会超过两年。然而他活下来了，“自那以后，一切都变成了额外津贴”。
这笔额外津贴似乎格外丰厚，史蒂芬霍金如今已75岁，虽是古稀之龄，残疾之躯，他的智慧却依然遨游在广袤宇宙之中，思维活跃，不断探寻着时间的本质、黑洞的秘密与宇宙的起源。
每年，史蒂芬霍金都会收到许多演讲邀请，就像他刚写完《时间简史》时那样。2016年初，史蒂芬霍金受英国广播公司（BBC）之邀，做了两次“里斯演讲”（the Reith Lecture），总时长50分钟，分别回顾了经典黑洞理论的研究发展史和量子黑洞理论的发展史。后来演讲稿整理成书出版，取名《黑洞不是黑的》。
黑洞不是黑的，那它是什么样子的？视界面望远镜今年4月为黑洞拍的第一张照片，我们最快也要明年才能看到。在此之前，我们不妨先听听史蒂芬霍金教授是怎么说的。
对于黑洞的理论研究，其实由来已久。爱因斯坦1915年提出广义相对论，次年，德国物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）就得到了没有角动量黑洞的精确解。1939年，美国“原子弹之父”奥本海默已在两篇论文中讨论了恒星坍缩成中心带有一个奇点的黑洞的可能性。爱因斯坦不太认同这种可能性，他根据直觉判断，黑洞这种天体并不存在，并写了论文来反驳奥本海默。遗憾的是，此番争论并未持续多久，一方面没有黑洞存在的证据，另一方面，随着第二次世界大战战火燃起，物理学家的兴趣转向了核物理，关于黑洞的讨论逐渐淡出了人们视野。
所幸，人们在20世纪60年代迎来了天文学发展的黄金时代，那一时期的四大发现（星际有机分子，宇宙背景辐射，脉冲星、类星体）对于之后人类认识宇宙产生了极为深远的影响。1964年，美国科学家在天鹅座区域偶然发现了一个非常明亮的X射线天体，这是人类于此区域发现的第一个X射线天体，却不知其本质为何，于是天文学家将此天体命名为天鹅座X-1(Cygnus X-1)，这便是人们今天所熟知的、人类历史上第一个黑洞候选体。
黑洞存在的证据不断向科学家们招手，再次激发了他们研究黑洞的兴趣，黑洞研究迎来了“第二春”。因推断宇宙起源于一个奇点而出名的史蒂芬霍金，也开始将研究兴趣从宇宙学转向黑洞。
1973年，史蒂芬霍金和另外两位物理学家合作了一篇论文《黑洞的热力学定律》，总结了与热力学定律相似的一系列关于黑洞的定律。该文章着重强调了一点：黑洞的温度为绝对零度（因为没人任何东西包括光可以逃脱黑洞，所以黑洞不会辐射），且不具有物理熵。
万万没想到，就在不久后，一位初出茅庐的普林斯顿研究生雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）提出了与之相左的观点。贝肯斯坦发现，如果黑洞不具备熵，那么热力学第二定律就会被违反。那样的话，我们就可以将任意具有熵的物体扔进黑洞，而降低了外部宇宙的总熵。因此，他认为黑洞的熵必须正比于表面积，才能挽救热力学第二定理。此项工作被认为是黑洞热力学的开篇，贝肯斯坦也因此在2012年捧得了沃尔夫奖。
彼时的史蒂芬霍金教授已是名人，被一个硕士生推翻了论文或许内心不爽。不过，本着严谨的科学态度，1974年，史蒂芬霍金将量子力学应用于黑洞的视界面附近时，他发觉黑洞也能产生辐射！这个结果让史蒂芬霍金惊掉了下巴，这和人们之前对于黑洞的认识完全不同。在经过多次验证、确认结果正确无误之后，他向世人宣布了这个大消息：黑洞具有温度！这便是“史蒂芬霍金辐射”，黑洞并不像我们原来想象得那么黑。在“史蒂芬霍金辐射”诞生几周后，32岁的史蒂芬霍金当选英国皇家学会会员，成为了其中最年轻的几位会员之一。
尽管“史蒂芬霍金辐射”极其微弱，几乎可以忽略，但相较于原来的绝对零度，这是一个质的差别。自此，史蒂芬霍金将引力、量子力学和热力学联系在了一起，这是理论物理学的一次伟大突破。不过，在这令人喜悦的发现背后，还隐藏着一个更深奥难测、更令人费解的科学问题：黑洞信息悖论。
黑洞辐射意味着黑洞会不断损失质量，直至蒸发殆尽。如果是这样，那么落入黑洞的物体的最终命运又是什么？广义相对论认为，进入黑洞的信息永远不会再出来，会随着黑洞的蒸发而消失。那么信息去哪了？从量子理论来看，信息是永远不会真正消失的。自从史蒂芬霍金辐射被提出之日起，这个问题就一直困扰着物理学家们。
数十年来，史蒂芬霍金和其他物理学家始终在努力尝试攻克这道谜题。2015年，他与同事共同提出了一个新理论——黑洞的“软毛定理”！“软毛定理”是什么？它是否为我们揭示了黑洞的终极面纱？这就要靠你自己去书中寻找答案了。别担心，这个星球上最了解黑洞的人将为你引路。
要研究黑洞，需要同时具备两项必杀技：一是极其复杂高深的数学工具，二是非常聪明智慧的大脑。史蒂芬霍金不仅仅在理论层面发现了史蒂芬霍金辐射，还与彭罗斯一起证明了彭罗斯-史蒂芬霍金奇点定理（两人凭此获得1988年沃尔夫奖），还证明了黑洞的面积定理（黑洞的熵与黑洞面积成正比）……说他是我们这个星球上最了解黑洞的人，一点儿也不过分。
我做黑洞研究十多年，主要工作是从天文观测角度寻找黑洞，并确认它们的存在。过去几年里我投身科普，在公开的讲座报告中没少跟听众们讲起黑洞和著名的史蒂芬霍金辐射。读完《黑洞不是黑的》这本小书之后，我依然感到受益匪浅。对我来说，“里斯演讲”如同一堂关于宇宙探索和理论物理发展的历史课，主角正是神秘的黑洞，以及我们这个时代伟大的物理学家们。史蒂芬霍金的口才比我好多，他把这段历史讲得清晰易懂，许多天文梗和比喻句妙趣横生。
不管宇航员是不是会在2020年重登月球，你都该趁着仍在母星的时间，好好读读这本有趣料多、可以放在口袋里的小书。许多年后，说不定你还能为留守地球或坐在飞船里的同胞们，讲上一段从书中学来的黑洞探索史。

史蒂芬·史蒂芬霍金著，吴忠超译，大卫·舒克曼导读；湖南科学技术出版社出版。
制版编辑：斯嘉丽丨
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