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霍金七十年
林谓月
来源:读书 2012年4期字体:大中小打印当页正文
今年霍金就七十岁了。他于二十一岁时被诊断患了卢伽雷绝症后,迄今已存活了四十九年,这本身就是一个生命奇迹。然而,对于这样一位科学家兼思想家,他的生涯应是他科学思想发展的历程,而他个人健康演变只能成为辅助的背景,尽管那也是令人极为钦佩的。此外,由于他在理论物理和理论宇宙学诸多领域有开创引领之功,他的学术生涯必然和近半个世纪的这些学科推进同步,而他的思想发展体现着这些学科演化的脉络。
宇宙的存在和起源问题是人类的最大迷思之一,尽管各种文明都有过宇宙从何而来的诘问,但宇宙演化的思想绝非思辨的结果。且不说两千年前的亚里士多德,哪怕是晚很多的伟大的康德,在他的名著《纯粹理性批判》中思索时间有无起始即是否有限,以及空间有无边界即是否无限之际,也从未有过宇宙演化的明确思想。诚然,康德在《自然通史和天体论》中提出了星系演化的学说,但那和宇宙整体的演化是两回事。他关于时空有限无限的论证是在基于空间是平坦的以及宇宙在本质上不演化的先验假设上进行的。尤其值得注意的是,这两个“即”只有在这个前提下才是成立的。这个前提排除了宇宙在空间上有限无界和在时间上自然地创生和终结的可能性。
由于人类活动的时间尺度和宇宙寿命相比微不足道,宇宙演化很难被我们觉察到。宇宙在本质上不演化的观念可谓根深蒂固,这种观念直到近代才被改变。一九二九年哈勃发现了红移定律:他观察到大多数星系正飞离我们而去,其速度和与我们的距离成正比,这意味着宇宙正在膨胀。这还表明,在时间上回溯到有限的过去,这些物体应聚集于一处。在天文学家当时的观念中,甚至在当今不具备广义相对论常识的人中,这个发现被解释为这些星系在相互离开,而时空是不变的。其实,在爱因斯坦一九一五年提出广义相对论后,这个场景应该被正确理解成宇宙的空间在膨胀。他在一九一六年发表的第一篇相对论性宇宙学的论文中,由于引力的吸引作用得不到宇宙的稳恒的解,因而为了抗衡引力,他引进了所谓的宇宙常数。他的宇宙模型是一个稳恒的三维球。一九二二年,弗里德曼从广义相对论得到过膨胀宇宙的模型,在该模型中,宇宙从尺度为零的大爆炸奇点开始膨胀,其膨胀速度因引力吸引逐渐减小,直至达到最大尺度,然后再收缩到零尺度,收缩相是膨胀相的时间反演。但弗里德曼的研究早先没有得到承认。爱丁顿把哈勃定律揭示的宇宙膨胀场景正确地比喻成一个画满斑点(星系)的正被吹胀的气球表面。这个表面代表一个二维的宇宙,在每个斑点上的观察者都会感觉到其他斑点离他而去。
一九四八年伽莫夫等发表了大爆炸宇宙核合成的论文,他们估算出,现在宇宙中主要成分是氢和氦元素,其中氦元素在质量上占四分之一左右。后来霍伊尔等研究出较重的核合成过程。人们还预言,在大爆炸之后约三十八万年,光子和物质不再耦合,宇宙对于光子成为透明的了,而早期辐射由于受到宇宙膨胀红移,在当今变成处于微波波段的背景辐射。我们用光学手段只能观测到去耦后而非去耦前的宇宙场景。一九六四年彭齐亚斯和威尔逊意外地观察到这个三度开尔芬的宇宙背景微波辐射。大爆炸宇宙模型从此被科学界主流接受。
霍金于一九六七年在剑桥开始了引力物理和宇宙学的研究生涯。一九七○年他和彭罗斯证明了广义相对论中的奇性定理。在经典物理的框架中,宇宙大爆炸和黑洞内部都存在奇点,在那里物理定律甚至因果律都崩溃了。