霍金和《十问》

    2018年3月14日，史蒂芬·霍金逝世，享年76岁。 他永远离开了这个他无比热爱的世界，而这一天恰好是爱因斯坦139年诞辰。

 

    3月17日剑桥大学通知我，说他们很快就会发出霍金葬礼日程。在这之前，霍金的第一任夫人简已经去过剑桥城西北升天教区墓园勘察并选址。

 

    该墓园凝缩着剑桥大学近150年的历史。安息在此的学者中，最著名的便是20世纪最伟大的哲学家维特根斯坦、天文学家亚当斯和爱丁顿，还有达尔文家族（达尔文本人葬于伦敦西敏寺）、《金枝》的作者弗雷泽，以及一些诺奖得主。亚当斯独立地计算出天王星轨道和开普勒及牛顿定律的偏离，并预言了海王星的存在。爱丁顿在西非日食时探测到光线在太阳引力场中的偏折，首次验证了广义相对论的预言。这些都和霍金毕生从事的引力物理紧密相关。霍金和彭罗斯恰好还分享了1966年的亚当斯奖与1975年的爱丁顿奖章。

 

    3月19日简给我来信，邀请我参加霍金在剑桥的葬礼和在伦敦西敏寺的安葬仪式。她告诉我霍金将会被葬在牛顿墓旁。这样，霍金将和人类的伟大先驱哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿以及爱因斯坦一样，从此在智慧的星空中发出永恒的光芒。

 

    1942年1月8日，霍金诞生于牛津，这正是伽利略逝世300年忌日。这一巧合似乎暗示着他将献身于科学，特别是宇宙学的研究。他的幼年在伦敦的海格特度过。值得一提的是，海格特公墓西区安息着电磁感应定律的发现者法拉第。1950年，随着从事热带病研究的父亲工作的变动，霍金全家搬到伦敦更北的圣奥尔本斯。他在那里完成了中学教育，并按照他父亲的意向，于1959年考取了父亲的母校牛津大学。

 

    1962年霍金从牛津大学毕业，转到剑桥大学攻读博士学位。他原先想追随剑桥理论天文研究所的创建者，英国当时最著名的天文学家弗雷德·霍伊尔。但霍伊尔已经收满了学生，所以西阿玛被指定为他的导师。这个阴错阳差对他的未来特别关键。如果他跟随霍伊尔，那他就得像霍伊尔的一位非常著名的印度学生纳里卡一样，去捍卫霍伊尔等倡导的稳态宇宙模型。虽然1929年哈勃发现了宇宙的红移定律，由此得知宇宙正在膨胀，然而它是由伽莫夫等提出的大爆炸模型，还是由霍伊尔等提出的稳态模型描述还不清楚。1960年代早期，马丁·赖尔领导的剑桥射电天文学小组对弱射电源进行调查，其观察结果和稳态模型的预言相悖，而1964年彭齐亚斯和威尔孙非常偶然地发现了宇宙微波背景，这彻底地证伪了稳态模型。

 

    西阿玛门下出现了许多杰出的引力物理学家，除了霍金之外，还有马丁·里斯、布兰登·卡特、乔治·埃里斯等，他还把才华横溢的数学家罗杰·彭罗斯吸引到引力物理领域来。西阿玛说过，他对科学的最重要贡献就是培养出了霍金。

 

    霍金在牛津上本科三年级时就发现自己的行动变得笨拙，去剑桥上学后的第一个圣诞节假期，他在湖上滑冰跌倒时无法站起，几经周折后被诊断为患了不治之症——渐冻症。通常认为这种病人只有一两年可活。可以想见，那时他的情绪有多么低落。此时他非常幸运地遇到了一位年轻的女子简·王尔德。简的爱情给他以生活的希望。可以毫不夸张地说，如果没有简，就没有后来的霍金。

 

    霍金在他的天才焕发和病情发展的竞跑中赢得胜利。英国民族对学术的崇尚，尤其是剑桥大学对天才的珍惜，是产生霍金这样人物的必要条件。1965年，他就被选为龚维尔和基斯学院的研究员，他在这个学院任职终身。这个学院是剑桥现存的第四古老的学院，是牛津剑桥仅次于三一学院获诺奖最多的学院，共有14名成员获奖。学院深具医学传统。17世纪，威廉·哈维证实了血液循环现象。1953年，弗兰西斯·克里克和美国人詹姆斯·沃森发现了DNA的双螺旋结构，我们在学院的窗玻璃上可以看到这个结构的示意图。

 

    即便单从医学的角度看，他已成为渐冻症存活最久的人，55年——这是空前的。这使我们联想起伟大的数学家欧拉，他28岁时右眼失明，59岁时左眼也几乎失明，从此17年处于黑暗之中，他也是活了76岁。

 

    引力物理在爱因斯坦于1915年提出广义相对论后发展缓慢。在1960年代之前它几乎沦为应用数学的一个分支，这是因为爱因斯坦的场方程非常复杂，而且从该方程的解很难抽取物理意义。费恩曼对这种状态极为不满，他去华沙参加一次广义相对论会议后，甚至让他的夫人提醒他将来绝不可参加这种会议，以免高血压发作。

 

    这种面貌由于惠勒学派，以及尤其是彭罗斯、霍金和盖罗许的研究而焕然一新。惠勒学派的方法是在足够对称的时空进行微扰计算，而彭罗斯变革性的观点是关注时空的拓扑，尤其是它的共形结构，为此他和卡特发明了卡特-彭罗斯图的有力工具。1965年，彭罗斯发表了划时代的论文《引力坍缩和时空奇点》，该论文证明引力坍缩导致黑洞中的奇点。同年，霍金将相同的思路应用到整个宇宙，证明了如果广义相对论是正确的，物质的能动量张量满足某些非常合理的条件，那么宇宙必定起始于大爆炸的奇点。在霍金宣布这个结果之前，还有人以为大爆炸可能是以前的一个收缩相的反弹。这个结果是他的博士论文《膨胀宇宙的性质》最精华的部分。

 

    此后，在经典引力物理中，霍金对黑洞理论做出了许多根本性的贡献，诸如他和同行们证明了黑洞的无毛定理，他指出四维时空的黑洞视界的拓扑必须为球面。但最为人称道的是他提出了黑洞视界面积不减定理。

 

    黑洞面积定理是说，黑洞演化甚至黑洞合并，其总的视界面积不减。1971年，霍金由此推出由两个黑洞碰撞引起的引力辐射的能量上限。44年后的2015年由LIGO实现的首次引力波观测证实了这个结果。1973年，他和巴丁、卡特合作发表了题为《黑洞力学的四个定律》的论文，将其和热力学的四个定律做平行的比较。

 

    霍金对经典引力物理的贡献被总结在他和埃利斯合著的《大尺度时空结构》一书中。这是一部研究时空拓扑和因果性的集大成著作。可以说，这方面的问题几乎已经被这部书穷尽了。实际上，自1973年问世之后，再也没有这个方面的著作能超越过它。

 

    彭罗斯和霍金的奇性定理表明，经典广义相对论不是一个完备的理论，它在奇点处崩溃了。为了得到自然的完备描述，必须将20世纪发现的另一个伟大的理论——量子论和相对论合并成量子引力。所以在和埃利斯合著的书出版后，霍金的研究就从经典相转向量子相。

 

    1974年霍金在研究黑洞附近的量子场论效应时，发现了从黑洞的视界向无限远处辐射粒子，这种粒子的谱具有黑体辐射的形式，在最简单的史瓦西黑洞的情形，其温度和黑洞的质量成反比。黑洞辐射使黑洞损失质量，从而温度升高而辐射加速，黑洞最终以巨大的爆炸结束其生命。

 

    受黑洞面积定理的启示，普林斯顿大学的研究生贝肯斯坦曾经猜测，黑洞的熵应和视界的面积成比例。霍金的这篇论文证明了，在所谓的普朗克单位下，黑洞的熵恰好是它视界面积的四分之一。这个结果启发了后人发展出引力全息原理。

 

    这篇在爱因斯坦之后最重要的引力物理的论文，寄到一家国际刊物后，居然在一年内毫无声息，后来被告知论文丢失。最后发表时标明的接收日期是按再次交稿时算，此前它早已被学术界广泛引证。这个杂志后来邀请霍金任顾问。

 

    霍金从黑洞辐射场景很快意识到，黑洞辐射场景会导致所谓的信息悖论。无论由什么物质以何种配置坍缩形成黑洞，无毛定理都告诉我们，黑洞仅由总质量、角动量和电荷来表征。黑洞最后要蒸发并爆发消失，所以除了这几个参数，所有的信息都丢失了。信息悖论是理论物理学界40多年未彻底解决的重要问题之一。

 

    1974年霍金被选为英国皇家学会会员。1977年他被任命为引力物理教授。这是剑桥为其量身定制的。那个时代，剑桥规定每一个研究组都只有一名教授，直到有了空缺才能递补，所以绝大多数剑桥人终身任讲师。但对天才可以暂设教授位置，这就是霍金的情形，两年后他被选为卢卡斯数学教授，引力物理教席也就自动取消了。

 

    卢卡斯数学教授是科学史上最崇高的教席，因为牛顿和狄拉克都是他的前任。我有幸见证了霍金的就职仪式，他发表了题为《理论物理的终结可能在望吗？》的演讲。狄拉克生前多半时间在圣约翰学院埋首研究，很少到应用数学和理论物理系来，而霍金经典相时期和他的研究交集不多。后来狄拉克退休搬到佛罗里达并终老于彼，只有夏天回剑桥，有时会到系里，但我从来没有遇到过他。1975年他在梵蒂冈曾当面告诉霍金，是他推荐霍金获得庇护十一世奖章的。1984年他死后被埋葬在佛罗里达，但1995年伦敦西敏寺为他在牛顿墓旁安放纪念石，并邀请霍金在仪式上致辞。

 

    1982年夏天，霍金和吉本斯在剑桥召开了极早期宇宙学的会议。这是在该领域影响最深远的会议。早在1970年代，狄克等就指出在大爆炸宇宙模型中存在一些严重问题，如宇宙微波背景因果性问题、单极子问题，尤其是空间平性问题，后者体现了宇宙演化对初始条件的极度敏感性。固斯和林德等认为，如果在大爆炸相前宇宙以指数式膨胀，即存在一个暴胀相，那么这些问题就可以避免。不过，由于暴胀的机制或暴胀子不能从第一原理推出，所以不少人对这个场景抱迟疑态度，认为它只是一个唯象模型。但是，这次会议取得了一个重要的进展，那就是霍金等人提出，在暴胀背景下，经典无规性很快就被暴胀抹平，而量子场涨落应是宇宙结构，比如星系团和星系的籽。事实上，那也正是8年前霍金和吉本斯把对黑洞视界辐射推广到宇宙视界时研究过的量子涨落。10年后，宇宙背景探索者卫星探测到由这个涨落引起的微波背景温度在不同方向的差别。后来WMAP和普朗克卫星的观测更证实它和预言精确一致。

 

    这次宇宙极早期的会议重新唤起了霍金对宇宙学，尤其是宇宙学中最重要的问题——宇宙创生的兴趣。他坚信这个问题应属于科学的王国。实际上，早在1981年，他就在梵蒂冈教廷科学院的一次会议上提出了宇宙的边界条件是它没有边界的设想。他认为没有什么边界条件比宇宙没有边界更美妙了。1983年他和哈特尔一起将这个思想用数学表述出来。在他的模型中，无边界设想意味着，宇宙一创生进入实时间就处于暴胀阶段，然后才进入大爆炸阶段。场的量子涨落在暴胀阶段处于基态。与此相比，在暴胀宇宙模型中，暴胀子和基态涨落都是人为设定的。基态的涨落可分解为标量和张量两部分，这些微扰的演化，标量部分可以与宇宙微波背景温度起伏做比较，而张量部分可望与太初引力波的谱做比较。

 

    宇宙学最初的大爆炸模型并没有预见性，暴胀宇宙模型只具有半预见性，即相当广泛的、而非所有的初始条件会导致我们所观测的宇宙。无边界设想赋予宇宙学完全的预见性。事实上，宇宙的演化完全由科学定律所决定。这就彻底解决了从牛顿时代开始就困扰人类的第一推动问题。在无边界宇宙学的框架中可以研究宇宙的暴胀、结构、各向同性、旋转、维数、时间箭头、太初黑洞和太初引力波。

 

    霍金在发展无边界宇宙学的同时萌生了写一部宇宙学和黑洞科普书的想法，这就是畅销至今的《时间简史》。霍金从一位科学天才成为大众明星，主要是因为这部书的出版。

 

    他和简养育了三个孩子，罗伯特、露西和蒂姆。1995年和简离婚，同年和伊莱恩·梅森结婚。2006年和伊莱恩平和分手。

 

    他一生得到无数荣誉，也到过许多国家讲学。

 

    他对中国有极大的好奇心，但他对中国的学术界很不了解。1980年代早期，我建议他访问中国科技大学，并帮助联系。1985年他的第一次访华成行，在合肥和北京各做一次学术报告，游览了故宫和长城。

 

    2002年和2006年，他应丘成桐的邀请访问杭州、北京和香港，游览了西湖、天坛、颐和园，再次登上长城。2002年的访华由伊莱恩陪同。我在杭州当他的翻译。2006年访华时伊莱恩没来。应他的要求，我全程陪同他。我用最简单的相机给他在天坛祈年殿前拍的照片，被他选用在自传《我的简史》中。他在世界旅行期间拍摄的照片何止万千！可以想见神秘的中国多么吸引他。

 

    从我认识霍金直到他去世，39年是个漫长的时间。1979年，我受他邀请来到他的研究小组，在他指导下完成了博士论文，研究方向是极早期宇宙中的引力效应，包括相变泡碰撞的时空度规准确解，以及引力坍缩问题。1984年在我得到剑桥博士学位后，他继续指导我从事量子宇宙学的研究，我们合作的宇宙波函数第一个数值解发表于1985年。之后他推荐我到欧美游学。

 

    1997年他得知我在梵蒂冈天文台访问，就邀请我在欧洲最好的季节复活节访问剑桥。我在他的办公室第一次见到他的第二任夫人伊莱恩。那次他对我表达了要访问中国的强烈愿望。但后来因为阴错阳差没有成功。

 

    2004年他再次邀我来剑桥。2004年12月10日，我在他的办公室里问他，黑洞辐射和无边界宇宙这两个贡献中，他究竟认为哪项更为重要？他回答道：“别人认为黑洞辐射更重要，因为它已经被接受了，我却认为无边界设想更重要。”

 

    2006年湖南科技出版社的朋友们和我应邀来剑桥看望他，他主动提出把所有的科普著作都交给湖南出版。他还单独请我到他的学院上席晚宴，喝咖啡，再到他家闲聊，直到深夜一点。他那回精神非常好。我们仔细讨论了将去北京开会的细节，我问他最喜欢中国哪个城市，他说我才去了这么少的地方。但他对合肥的印象最深。

 

    2009年，我应他邀请又来剑桥时，他大病初愈。在他得知我们要离开时，立即从家里赶到办公室和我们话别。我们看到他满脸病容，心里既难过又感动。我们合影留念，但我们不忍心将照片公开。

 

    2012年我应邀参加他的70岁生日庆祝会议，由于他身体衰弱，医生建议他不要露面。

 

    2017年7月，我去剑桥参加庆祝霍金的75岁生日的学术会议。受霍金著作中文版责编孙桂均之托，我带去了霍金像双面绣，该绣品是长沙五位湘绣大师花7个月时间精心制作的。我将这幅栩栩如生的艺术品当面送给霍金，以感谢他对湖南科技出版社几十年的信任。

 

    应孙桂均的要求，我为这幅湘绣拟了两行字：“黑洞辐射贯通引力量子信息，无边界律驱动宇宙无中生有。”

 

    这两行字浓缩了霍金一生最重要的科学贡献。第一项研究追索什么才是更基本的，是时空，还是信息？这是本体论的问题。第二项研究宇宙何以创生，这是存在论的问题。他甚至说过，必须存在一套完备的统一理论，如果不存在的话，宇宙就消失了。

 

    在参加剑桥和伦敦的追悼活动时，我曾经用文字将这些历史场景记录下来。他离去的时刻，使我极为真切地感到，“他为这个文明理解时空、宇宙和存在的推进，以及对人类道义和社会的普适关怀，在他逝去后将会逐渐展现出其深远的意义”。

 

    我对霍金逝去的感受，完全符合他的遗著《十问：霍金沉思录》的主旨。

 

    两千三百多年前，楚国的屈原在《天问》的一开始就追寻宇宙本源问题，一千年后唐代的柳宗元的《天对》对此作了回应。在希腊，大约和屈原同时代，阿利斯塔克就已经提出日心说的雏形。十六世纪哥白尼建立了完整的日心说宇宙体系。十七世纪的伽利略用天文观测支持哥白尼学说，而开普勒发现了行星运动定律，还把宇宙的和谐视为终极真理。牛顿的学说将伽利略和开普勒的事业发扬光大。直至十九世纪末，牛顿的时空观还一直被当作科学界的金科玉律，康德把他对牛顿时空观的迷惑表述为二律背反。唯有大约一百年前的哈勃红移定律的发现，以及爱因斯坦广义相对论的提出，人们才大体得到今日之宇宙图像。所有这一切都是对亘古天问的回应。

 

    霍金在本书回答的大问题正是当代的天问，是地球文明的思想家对人类和宇宙命运的叩问，是人和天的问对。它们是：上帝存在吗？一切如何开始？宇宙中存在其它智慧生命吗？我们能预测未来吗？黑洞中是什么？时间旅行可能吗？我们能在地球上存活吗？我们应去太空殖民吗？人工智能会不会超过我们？我们如何塑造未来？

 

    也许只有万物之灵的人类才能对宇宙存在等寻根究底，因为他们不甘满足于存活和繁衍，那只是动物的本能。同理，民族的形而上的发展表征其文明演化的程度。

 

    宇宙无中生有地创生后，最美妙的事件是孕育了生命，以及生命的子集升华出意识，而其中最珍贵的子集能理解宇宙和自身。霍金，这个完全以思维为存在方式的生命，在立志以揭开宇宙的奥秘为终身使命后，从来没有抱怨过自己身受的病痛。这使人想起康德，他说自己的生活就是几道观念。霍金已经离开我们远去了，但他对人类命运的关怀和劝诫，都是我们面对这个世界的愚蠢和贪婪时的一剂安慰。

 

    从1988年2月24日他来信，嘱我将《时间简史》译为中文，31年过去了。湖南科技出版社为出版霍金著作付出了大量的心力和智慧。《十问：霍金沉思录》无疑是霍金毕生探索的结晶，是他留给人类的最宝贵的思想遗产。