斯蒂芬·霍金讣告——罗杰·彭罗斯

  1. 10月前

    碘化亚铜

    1楼 2018年3月15日 物理版主

    原文链接:https://www.theguardian.com/science/2018/mar/14/stephen-hawking-obituary

    为我们理解宇宙的本质做出了革命性贡献的理论物理学家

    ——斯蒂芬·霍金于76岁逝世

    斯蒂芬·霍金在76岁时去世,他在电动轮椅上的形象——头向一侧轻微扭曲同时双手交叉以进行控制——抓住了公众的想象力,成为精神战胜物质的真实象征。就像古希腊的德尔斐神谕那样,身体上的损伤似乎被近似超自然的天赋所补偿。这让他的思想能够自由地漫游宇宙,有时还会不可思议地揭示出一些凡人无法洞见的宇宙奥秘。

    当然,这种浪漫化的形象只能陈述一部分事实。那些认识霍金的人将会清楚地看到,在他的表现中,占主导的还是真实人类的那一面——不仅对生活无比热情、非常的幽默、并且毅力惊人,还在更加明显的正面力量以外拥有像常人一样的弱点。。显然他对被大众普遍认为的“最有名的科学家”这一角色非常高兴;超多的听众会参加他的公开讲座,他们常常并不只是为了接受科学的熏陶。

    科学界对他可能有着更加客观的评价。鉴于他许多令人印象极为深刻的、有时甚至是革命性的,对理解物理和宇宙几何的贡献,他受到了极高的评价。

    霍金在21岁生日后不久就被诊断出患有未知的绝症,之后则被确诊为一种致命的神经退行性疾病,肌萎缩侧索硬化或者叫ALS。不久之后,他没有像其他人那样沮丧地屈服,而是开始把目光投向一些关于宇宙物理本质的最基本的问题。之后,他在对抗最严重的身体残疾上取得了非凡的成功——他无视确定的医疗意见,设法多活了55年。

    他出生于“学术家庭”,尽管父母并不直接研究数学或者物理。他的父亲弗兰克是一位热带疾病方面的专家,而他的母亲伊泽贝尔(旧姓沃克)是一位思想自由的激进分子,这对他有着巨大的影响。他出生在牛津,八岁时搬家到了赫特福德郡的圣奥尔本斯。他在圣奥尔本斯学校接受教育,并获得奖学金到牛津大学的大学学院(University College)学习物理。他的导师察觉到了他非同寻常的能力,但是完全没有严肃地看待他的工作。尽管他在1962年获得了一等学位,但并不是特别出色。

    之后,他决定在剑桥大学的三一学院继续他的物理学生涯,并打算在著名的宇宙学家弗雷德·霍伊尔门下学习。他失望地发现霍伊尔不能指导他,而那个领域中可选的导师是丹尼斯·夏马,而当时霍金对他并不了解。实际上,这后来被证明是很幸运的。因为夏马当时正在成为英国宇宙学领域非常引人注目的人物,而且后来指导了几位在日后令人印象深刻的学生(包括未来的皇家天文学家拉德洛勋爵里斯)。

    夏马似乎知道那时在物理学中发生的每一件事,特别是在宇宙学方面,而且他向遇到的每一个人传达一种感染性的兴奋。他还擅长于将聪明的头脑聚集起来,一起交流。

    当霍金在剑桥进行第二年的研究时,我(在伦敦大学的伯克贝克学院)已经建立了一个关于关联性的确定的数学定理。这个定理表明,基于几个合理的假设(通过使用当时大部分物理学家并不熟悉的整体/拓扑技术)一颗坍缩中的、质量过大的恒星最后会在时空中形成一个奇点——一个密度和时空曲率都被预期会变得无穷大的地方——为我们提供了现在称之为“黑洞”的物体的一个图像。这种时空奇点将深藏在一个“视界”内部,没有信号或者物质可以从中逃脱。(这个图像早在1939年就已经由J·罗伯特·奥本海默和哈特兰德·斯奈德提出,但是仅在假设了严格球对称的特殊情况下成立。新的定理的提出是为了消除这种不真实的对称性假设。)在这个中心的奇点处,爱因斯坦的经典广义相对论将不再适用。

    与此同时,霍金与正在剑桥大学圣约翰学院攻读博士学位的乔治·埃利斯也一直在思考这类问题。这两个人一直在研究一种需要一个不合理的限制性假设,从而在条件上更加受限的“奇点定理”。夏马认为有必要让霍金和我聚在一起,而霍金没用多久就找到了一种意想不到的方式来使用我的定理。这样一来,这个定理就可以(以时间反演的方式)适用于宇宙学的情境之中,从而表明被称为“大爆炸”的时空奇点不仅是标准的、高度对称的宇宙学模型的特征,也是任何性质类似但不对称的模型的特征。

    我原来的定理中,有一些假设在宇宙学的情境中看起来不如在坍缩成为黑洞的情境中那么自然。为了推广这个数学结果以消除这些假设,霍金开始研究与这个问题相关的新的数学技巧。

    莫尔斯理论是数学工作中一个有力的主体,它是活跃在对黎曼空间的整体(拓扑)研究领域的数学家的常用工具之一。然而,爱因斯坦的理论中使用的空间实际上是伪黎曼的,而相关的莫尔斯理论有些微妙但重要的不同。霍金发展了自己研究所需的理论(在某些方面由查理斯·迈斯纳,罗伯特·乔治和布兰登·卡特提供帮助),并且用它产生更加强大的新定理。有了这些新定理,我自己的定理中的假设可以被极大地削弱,表明在普遍的情况下,大爆炸奇点是爱因斯坦广义相对论的必然结论。

    几年之后(当时的霍金已经成为剑桥冈维尔和凯厄斯学院的“荣誉科学”学者),在1970年于皇家学会于发表的一篇论文中,他和我联手发表了一个更加强大的定理,几乎涵盖了这个领域之前所有的工作。

    1967年,维尔纳·以色列发表了一篇卓越的论文,指出当无旋转的黑洞最终平定到稳态时,必然会呈出完全的球对称。卡特,大卫·罗宾逊和其他人的后续工作将这一结论推广到包括旋转黑洞的情形,这意味着最终的时空几何必然符合罗伊·克尔于1963年发现的爱因斯坦方程的一组精确解。完整论述的关键部分是,如果存在旋转,就一定会有完全的轴对称。而这部分工作基本上是由霍金在1972年完成的。

    关于所有这些,一个非常显著的结论是,我们期望在自然界中找到的黑洞,必须符合这种克尔几何。正如伟大的理论天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡后来所评论的那样,黑洞是宇宙中最完美的宏观物体,它们仅仅由空间和时间所构建; 此外,它们也是最简单的,因为它们可以通过明确、已知的几何(即克尔几何)来精确描述。

    在这方面的工作之后,霍金又建立了许多有关黑洞的重要成果,比如关于黑洞事件视界(它的束缚面)必须具有球形拓扑的论证。在1973年与卡特、詹姆斯·巴丁合作发表的工作中,他在黑洞的行为和热力学基本定律之间建立了一些非凡的类比。其中,黑洞视界的表面积和表面引力分别能够类比于熵和温度这些热力学量。公平地说,在他进行这项工作的高度活跃的时期,霍金在经典广义相对论领域的研究是当时世界上最好的。

    霍金,巴丁和卡特将黑洞的“热力学”行为仅仅视为一个类比,并没有实际的物理意义。在大约一年前,雅各布·贝肯斯坦表明,物理一致性的要求意味着——在量子力学的背景下——黑洞确实必须具有实际的、与视界面积成正比的物理熵(“熵”是物理学家对“无序”的测量),但他无法确定比例因子。然而,另一方面,与这一类比似乎并不一致的是,黑洞的物理温度必须完全为零,因为没有任何形式的能量可以从中逃脱。这也是为什么霍金和他的同事们不准备严肃对待他们的类比。

    后来,霍金把注意力转向与黑洞有关的量子效应。他着手进行计算,以确定在大爆炸中可能产生的微小的旋转黑洞是否会辐射掉它们的旋转能量。他惊讶地发现,不管考虑什么样的旋转,它们都会辐射掉能量——而根据爱因斯坦的E =mc^2,这也代表了它们失去了质量。因此,任何黑洞实际上都具有非零的温度,与巴丁-卡特-霍金的类比完全一致。此外,霍金为贝肯斯坦无法确定的熵的比例常数提供了精确的数值:“四分之一”。

    霍金所预言的这种来自黑洞的辐射,现在被非常恰当地称为霍金辐射。然而,对于在正常天体物理过程中预期会出现的黑洞而言,霍金辐射非常小,并且通过任何已有的技术都无法直接观测到。但他认为,大爆炸本身可能会产生非常小的黑洞,并且来自这些黑洞的霍金辐射最终会形成可能被观察到的爆炸。现在似乎还没找到这种爆炸的证据,表明大爆炸并不完全像霍金所希望的那样,这令他非常失望。

    这些成就在理论上是极为重要的。它们建立了黑洞热力学理论:通过将量子(场)理论与广义相对论的过程相结合,霍金确定了还有必要引入第三个科目,也就是热力学。它们通常被认为是霍金最大的贡献。不可否认的是,它们对未来的基础物理理论会有深刻的影响,但这些影响的具体性质仍然是一个被激烈辩论的问题。

    霍金本人能够从所有这些中得出的结论是(虽然并没有得到粒子物理学家的普遍接受),普通物质的基本组成部分——质子——最终必须衰变,尽管衰变率超出了当今用于观测的技术的极限。他还提出了一些怀疑量子力学的规则可能需要修改理由。他最初支持这一观点,但后来(不幸的是,我个人认为)他有了不同的看法。在2004年7月的都柏林国际引力会议上,他公开宣布改变了对最初预测的黑洞内“信息丢失”的想法,从而在与加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔的赌局中认输。

    在他关于黑洞的工作之后,霍金把注意力转向了量子引力,为解决一些基本问题发展了巧妙的想法。量子引力一般被认为是物理学中尚未解决的、最基本的问题,它涉及到如何正确地将粒子物理的量子过程加于时空结构之上。其宣称的目标之一,是找到一个足够强大的物理理论,用以处理经典广义相对论下黑洞和宇宙大爆炸中的时空奇点。

    迄今为止,尽管霍金的研究涉及到量子力学在爱因斯坦广义相对论的弯曲时空中的运用,但这项工作并未提供量子引力理论。这将需要把“量子化”的步骤应用到弯曲时空本身,而不仅仅是弯曲时空中的物理场。

    霍金与詹姆斯·哈特尔一起,发展了一套处理大爆炸奇点的量子方法。这个想法被称为“无边界”方法,即奇点被光滑的“帽子”所取代。这与在地球北极的情况相似,在那里经度的概念失去意义(变成奇异的),而北极本身则具有非常好的几何形状。

    为了理解这个观点,霍金需要引入他的“虚时间”(或“欧几里德化”)概念,这个概念将爱因斯坦时空的“伪黎曼”几何转换为更标准的黎曼几何。尽管这些想法中很多具有独创性,但仍然存在相当的困难。其中之一是如何将相似的方法应用于黑洞内的奇点,而这在根本上是有问题的。

    除此之外,还有很多其他的研究量子引力的方法。霍金的方法虽然受到很大的尊重,并仍然被继续研究,但并不是最受欢迎的。不过所有其他方法也都有各自的基本困难。

    直到生命的结束,霍金还一直在继续研究量子引力问题,以及相关的宇宙学问题。但在保持着研究兴趣的同时,他越来越多地参与科学的普及,特别是传播他自己的想法。他首先写成了极为成功的科普书《时间简史》(1988年),该书被翻译成约40多种语言,并在全球售出超过2500万份。

    毫无疑问,这个出色的标题是这本书实现惊人的成功的一个因素。而且这是一个紧紧抓住公众想象力的主题。同时,作为霍金在尝试应对身体残疾所造成的限制时遇到的一个必须解决的问题,他发展出了一种直接而清晰的风格。在需要依靠他的电脑来说话之前,他只有克服大量的困难、付出巨大的代价才能说话,所以他必须尽可能地使用一针见血的短句子。此外,很难否认他的身体状况本身已经引起了公众的注意。

    虽然霍金写书的目的肯定包括在更广泛的公众中传播科学,但他也有着金钱方面的考虑。他的财务需求相当大,因为他的家属、护士、医疗助手和越来越昂贵的设备随行都需要钱。这些开支中的一部分是靠捐赠解决的。

    邀请霍金参加会议时,组织者总是需要认真地计算:旅行和住宿费用将是巨大的,尤其是因为需要陪伴他的人数众多。但是他的公众讲座永远是爆满的,为了找到一个足够大的讲堂也需要做特别的安排。另一个因素是要确保所有的入口、楼梯、升降机等都适合残障人士,特别是适合他的轮椅。

    他显然很享受自己的名声,并且得到了许多旅行的机会和不同寻常的经历,例如下矿井、参观南极和体验自由落体的零重力,还与其他杰出人物会面。

    这些年来,他的公开演讲变得越来越吸引人。最初,视觉材料是透明胶片上画着的线条图,由他的学生进行展示。但在之后几年,他采用了令人印象深刻的电脑生成的视觉效果。他一句一句地控制着语言材料,就像他用计算机产生带着美国口音的声音一样。高质量的图片和计算机生成的图形在他后来的畅销书籍《时间简史》(1996年)和《果壳中的宇宙》(2001年)中也有展示。他和他的女儿露西一起写作了儿童科学著作《乔治的宇宙秘密钥匙》(2007年)。他还担任许多其他科普著作的编辑、合著者和评论员。

    霍金获得了很多嘉奖和荣誉。他在32岁时就被选为皇家学会的成员,并于2006年获得最高荣誉科普利奖章。1979年,他成为剑桥第17任自然哲学卢卡斯讲席教授(这是艾萨克·牛顿爵士成为第二任讲席教授之后约310年)。他在1989年成为荣誉勋爵。他还在电视节目“星际旅行:下一代”中客串出场,以动画片形式出现在辛普森一家中。此外,他的故事被拍成了电影“万有理论”(2014)。

    很显然,他亏欠他的第一任妻子简·威尔德很多。他们于1965年结婚,并且有了三个孩子罗伯特,露西和蒂莫西。简在很多方面都特别支持他。其中最重要的一点就是近乎“纵容”他做自己想做的事情。

    霍金是一个非常坚定的人。他会坚持做自己想做的事情。反过来,这可能使他的肌肉保持活跃,从而延缓其萎缩,并减缓疾病的进展。尽管如此,他的病情仍在恶化,直到他几乎无法完成任何动作。如果不是通过少数几个熟悉他的人的帮助,他的演讲几乎无法完成。

    他于1985年在瑞士感染肺炎。为了挽救生命,他必须进行气管切开术。奇怪的是,在这次与死神擦肩而过之后,他的退行性疾病的恶化似乎在缓慢地停滞。然而,气管切开术使他无法进行任何形式的言语交流,因此计算机语音合成器在当时成为了他的必要工具。

    经受肺炎之后,霍金的家几乎被护士和医疗人员接管,而他和简则被分开了。他们于1995年离婚。同年,霍金娶了他曾经的一位护士伊莱恩·梅森,她的支持与简不同。在他身体状况较差的状态下,她所提供的爱、关怀和关注使他的身体状况在一切活动中都得到了保持。然而这种关系后来也结束了,他和伊莱恩在2007年离婚。

    尽管他身体状况非常糟糕,但他对生活几乎总是保持乐观。他喜欢他的工作、与其他科学家的聚会、艺术、名誉、旅行。他非常喜欢孩子,有时在他的电动轮椅上旋转来逗他们。他也关心社会问题。他还促进了大众对科学认识。他非常慷慨,而且经常很诙谐。有时候,他会表现出一些傲慢,不过这在顶尖物理学家身上并不少见。他还有些专制的倾向。但他也会表现出真正的谦逊,这正是伟大的标志。

    霍金有很多学生,其中一些后来也成为著名的人物。然而,当他的学生并不容易(他曾经将轮椅驶到一名惹他生气的学生的脚上)。他的声明拥有巨大的权威,但他身体上的问题经常导致他的学生感到这些简洁的声明令人困惑。一个有能力的同事或许能够揭开这些声明背后的意图,但对于没有经验的学生来说,这将是另一回事。

    对于这样的学生来说,与霍金的会面可能是令人怯步的经历。霍金可能会要求学生追求一些模糊的路线,而其原因看起来可能非常神秘。由于难以澄清,学生常常会收到神谕一样的启示——这些事情的正确性不容质疑,如果被正确地解释和发展,肯定会得到一个深刻的真相。我们现在都有这样的印象。

    霍金留下了他的孩子。

    ·史蒂芬·威廉·霍金,物理学家,1942年1月8日出生; 2018年3月14日逝世,享年76岁。

  2. 碘化亚铜

    2楼 2018年3月15日 物理版主

    昨天下午出来以后就开始加班翻译,晚上交的稿。比较匆忙,可能有些错漏之处,还请见谅……

  3. baishuxu

    3楼 2018年3月15日 天文版主

    感谢碘姐姐的翻译~ /vv

  4. 辛苦了 /:D

 

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