Monday, January 2, 2012

宇宙的精灵 #20.2




194218日,伟大科学家伽利略逝世300周年纪念日,二战硝烟弥漫,法兰克和伊莎贝尔夫妇在英国牛津城喜得贵子,取名斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)。霍金一家住在伦敦郊区,为孩子的安全生产才临时迁居于此。当时伦敦和英国的其他地方几乎每晚都会遭到纳粹空军的空袭,但交战双方似乎达成了战时难得的默契——只要德国不空袭剑桥和牛津,英国就不空袭海德堡和哥廷根。这几个都是世界著名的大学城。法兰克和伊莎贝尔都曾经是牛津大学医学专业的学生,1939年战争爆发时法兰克正在非洲做热带病研究,听到战争消息马上毅然回国欲投军参战,被政府安排在了医学研究会,在这里遇上了在一个医学机构里当秘书的伊莎贝尔,恋爱结婚,得了这个战时婴儿。

17年后,这孩子考上了父母的母校——牛津大学,不过忤逆了家长要他学医的愿望,攻读物理专业。霍金在这一时期显露出来数学和物理天分,不需要用功就能应付学校的课程。他把更多的时间花在了交友、聚会、运动、跳舞和喝酒,还有就是读文学书,以至于到快毕业时霍金一统计,三年来真正花在专业上的时间平均每天只有一小时。毕业试的最后一关是口试,当主考老师让他谈谈未来的计划时,霍金回答道:“如果您给我第一等,我将进剑桥,假如我得到第二等,我将留在牛津,所以我料想您会给我第一等。”果然他得到了第一等。

在牛津最后一年霍金就发现身体有些不对头,经常会撞东西受伤,没有喝酒也像醉了一样口齿不清双腿发软。19631月,到剑桥刚读完一个学期,霍金经检查被确诊为患了一种不治之症“肌萎缩性脊髓侧索硬化症”,在英国称为“运动神经元症”,这种运动神经的病症将会导致全身肌肉萎缩而瘫痪。一位医生预言他只能活两年!

天呐!这就意味着霍金的事业还没开始就已经结束啦!俗套的电影此时应是凄风楚雨。霍金确实极度痛苦沮丧了一阵子,整日把自己关在房间里用瓦格纳的音乐麻醉自己。也许是上帝可怜这个年轻人,一位刚上大学的姑娘珍适时地出现在霍金的身旁。珍是霍金在家时的故交,与生病的霍金的频繁接触爱上了这个也许不久于人世的青年,基督教的悲悯情怀隧穿了现实的壁垒。他们恋爱定婚,霍金又恢复了生活和事业的勇气和信心。

19651月,夏玛带着几个研究去伦敦参加国王学院的一个讨论会。当大家都进了车厢,火车就要开动的时候,才从车窗看到霍金还柱着拐杖在月台上艰难的挪动。由于平日里霍金不喜欢别人把他当残疾人对待,讨厌提供特别帮助,大家也就习惯了不特别关注他。可是这次不行了,按他这个速率,赶不上火车是铁定的。几个同学也顾不上那么多了,跳下火车连扶带扛地把他塞进了车厢。以后知道,这个帮忙可是救了霍金的命(学术的),如果赶不上这次伦敦会议,没准就没有我们现在认识的霍金!

报告人是比霍金大11岁剑桥老校友罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)博士。凑巧得很,彭罗斯的父母也是学医的,也希望儿子能子承父业,而小彭罗斯在确定大学专业时却执意要学数学。无奈的父亲找到一位数学教授对他进行一次数学考试,意在让儿子自己知难而退。教授留下了12道数学题,心想结果一定是这孩子做上一天,最后只能解出其中的一到二道,没想彭罗斯在几个小时内解出了全部的12道题。父亲彻底无语。1952年,彭罗斯读大四,在广播里听到霍伊尔谈宇宙稳态理论,有点好奇,同时也有些不解。一次去看在剑桥做物理研究的哥哥,发现跟哥哥同办公室的夏玛(霍金现在的导师)在研究霍伊尔,便乘机请教。他在一张餐纸上画下自己对霍伊尔稳态理论的理解,让夏玛大惊失色——想不到一张图有如此强大的表达功能,而且根据这张图,霍伊尔是错的,而小彭罗斯是对的。由此彭罗斯进入宇宙学领域。

在会上他报告了“时空奇点”的理论。根据钱德拉和奥本等科学家的研究,恒星质量大于一个极限,就会无限地坍缩。根据广义相对论,坍缩星(“黑洞”这个概念现在还没有提出)的中心,由于质量密度无限大,空间曲率趋向于无限大,那么被吸引进黑洞的物质,哪怕是速度最快的光线,都无法从中逃逸。几何学上的点被定义为“没有大小”的,而“没有大小”的东西是不存在的,几何学上把这个悖论式的既存在又不存在的点就叫做“奇点”,黑洞中的这个点是我们按物理学的时空理论推测出来的,但在这里由于没有时空坐标物理学规律又会自然失效,这同样是一个悖论,因此叫“时空奇点”。彭罗斯革命性地把拓扑学引进了奇点理论研究,严格证明了黑洞的中心一定存在着这么一个时空奇点。

会议结束他们乘夜班火车回剑桥。列车吭哧吭哧地穿行在无边的黑暗中,霍金感觉他的人生也一样。运动神经元症这二年来发展很快,经常摔跤,身边的人都听不清他的说话了,但这还不是最要命的。这种病的特点是不会影响大脑思维,可要命的是,博士研究生生涯快结束了,博士论文的题目还没有呢!火车里,同学们在热烈地讨论和争论着彭罗斯的观点,霍金却一直注视着窗外,似乎在暗夜里搜寻那个奇妙的奇点。突然间,他从夜色中收回目光,把脸转向坐在对面的夏玛教授:“不知道如果把彭罗斯的奇点理论,运用到整个宇宙会得到什么结果?”一个灵感,霍金成功了一半,因为这是一个良好的开端。

这是一个研究时间的课题,而研究者恰恰没有时间了!那位医生预言的二年大限已到,接下来的时间霍金就算是从老天爷那儿“借”来的。(难道不确定性原理在这起作用了?)我的体会,买书不如借书,因为后者更有尽快读完的紧迫感。这个会议以后,霍金前所未有地发奋努力起来。不过好像不是因为“紧迫感”,而是因为躯体功能渐失以后,他又找到了一种新的娱乐方式。他说:

我生平第一次真正努力工作。令我惊讶的是,我发现自己喜欢这样,称它为工作是不公平的。有人曾经说过:“科学家和妓女都是做他们喜欢的事来赚钱。”

真的是挺好玩的!火车上的霍金灵感迸发,把一颗恒星的奇点幻化成了整个宇宙的起点和终点,从而使彭罗斯的奇点理论具有了整体主义的意蕴。黑洞理论描述了死亡恒星的坍缩过程,这是一个物质密度迅速加大的进程,如果将时间反演,不正是一个物质密度迅速变小的宇宙爆炸模型吗?而宇宙大爆炸理论呢,描述一个时空迅速扩张的进程,如果将时间反演,还又正是一个时空迅速被压缩的恒星坍缩模型吗?既然恒星的坍缩会导致一个空间无限蜷曲、时间趋于停滞,物理规律失效的时空奇点,那么同样可以根据广义相对论的运动方程,推论出整个宇宙起源于这么一个时空的奇点。这不仅是逻辑自洽的,而且完全符合天文观测的事实。那么讨论这个奇点之前的时空,我们也不必为别人准备地狱,只需要耸耸肩,轻松地说上一句:因为物理规律失效,讨论这个问题是没有意义的。

霍金的博士论文阐述了宇宙起源的时空奇点理论,由此就奠定了他宇宙学超级巨星的地位。他不仅获得了博士学位,1966年博士论文的延续研究写成的《奇点与时空几何》就获得了亚当斯奖。霍金跟爱因斯坦一样,大学时数学没有下足功夫,成果主要靠天才的物理直觉。加上运动肌肉的萎缩,已经不适合做大量的数学演算。而彭罗斯则弥补了他的这个缺陷——严格意义上彭罗斯是个数学家而不是物理学家。从此两人进行了大量的合作,成为宇宙学的奇点理论的共同创始人,他俩因此一起被授予1975年伦敦皇家天文学会爱丁顿奖。

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