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霍金对我说过他对科学的最重要贡献!此刻,痛悼霍金教授

2018-03-15  arpcn

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3月14日,著名物理学家、《时间简史》作者史蒂芬·霍金去世,享年76岁。


中华读书报第一时间联系到霍金的中国弟子、《时间简史》译者吴忠超先生。他说:“虽然知道生命总是有限,但这一天到来还是非常震惊。去年夏天在他的生日会上,他从三一学院草地过来,后来我很懊悔没有为他拍一张好照片,想不到再也没机会了!”


吴忠超先生曾为中华读书报撰写过多篇关于霍金的文章,如《剑桥访霍金》(1997年)、《霍金的杭州七日》(2002年)、《霍金的北京七日》(2006年)、《剑桥七日——霍金70寿典纪实》(2012年)等,这些文章均是中文世界对霍金动态及时、珍贵的第一手报道。当中华读书报约请吴忠超先生在霍金去世之际撰写纪念文章时,他表示“现在心情非常乱”,恐难落笔,但过了不久,他还是发来了一篇《沉痛悼念霍金教授》的短文,并授权中华读书报发表他为《时间简史》中文新版所写序言。


霍金不但是伟大的科学家,在科学传播领域的成就也少有人能及,他的《时间简史》自1988年问世以来,被翻译成40余种语言,累计销量达2500万册。由吴忠超翻译的该书中译本于1992年由湖南科学技术出版社出版,在中国一直畅销不衰。吴忠超告诉中华读书报,他去年对原译本作了全面校订,新版将于今年5月左右由湖南科学技术出版社推出。


在为新版所写序言中,吴忠超不但总结了霍金主要的科学成就,更把霍金放在伽利略以来物理学特别是宇宙学发展史中进行评述,为我们奉献了一篇稍有阅读难度但内容非常丰富的宇宙学简史。


沉痛悼念霍金教授

吴忠超 | 文


今天,非常震惊地得知霍金教授逝世,心情极其悲痛。我于1997年、2004年、2005年、2006年、2009年都应他的邀请访问剑桥,2012年、2017年还两次应邀参加他的生日庆典。尽管每次见面都能觉察到他身体状况的变化,但我们还是希望奇迹能够在他身上出现,希望他健康长寿。虽然对于任何生命而言,这一天终究不可避免,但作为他的亲友学生,总希望还能再去剑桥庆祝他80岁、 90岁的生日。


我认识霍金教授39年了,1979年他邀请我到他的广义相对论小组当高级访问学者。之后在他指导下,我进行极早期宇宙的相变泡碰撞的时空度规的研究,获得博士学位之后,他继续指导我进行量子宇宙学的研究,并于1985年将我们合作的论文发表在科学杂志。我一生走上科学的道路得到过许多前辈的指导帮助,但霍金的指导最为关键。我深感荣幸。


霍金的一生如此具有传奇性。他出生于伽利略逝世的三百年忌日,并逝世于爱因斯坦139周年的生日。上天既然赋予他如此重大的使命,为何又让他得了这个不治之症,真不知上天为何作如此安排!


他在科学上的业绩,我在另一篇文章中做了一些介绍。今天我心情非常悲痛,急忙写下这些文字,表达自己的极度悲伤,感激他在学术上和其它方面对我的关心和帮助。


霍金这个伟大的名字,已经和哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿、爱因斯坦一样在智慧的星空 ,发出永恒的光芒。

1997年,吴忠超与霍金合影于剑桥

 

《时间简史》中文新版序

吴忠超 | 文

 

本文要点

霍金在1981年于梵蒂冈提出了“无边界设想”:宇宙的边界条件是它没有边界!霍金曾经对我说过,他对科学的最重要贡献是提出了“无边界设想”,但学界却公认黑洞物理尤其是霍金辐射是他的最大贡献。

 

广义相对论的奇性定理的研究使他在早年就已成为耀眼的明星,黑洞面积定律,尤其是霍金辐射的发现使他成为当代最重要的引力物理学家,而“无边界设想”终于祛除了长期折磨人类文明的“第一推动”问题。

 

《时间简史》被公认为近几十年来影响最大的科学著作,其原因如下:本书的主题是认识我们居住其中的宇宙,这正是生命和文明的最重要的诘问;作者辉煌的学术生涯主导着引力物理和宇宙学前沿的潮流;全书洋溢着创造的激情,一切从事科学甚至艺术的人士都可从中得到灵感…… 


一、伽利略以来的宇宙学

 

我们从何处来,我们向何处去,这是任何生命和文明与生俱来的最大诘问。可惜的是,生命甚至文明的历史和宇宙时空的尺度相比都是微不足道的。在它们非常可怜的感知中,时间似乎是从无限的过去向无限的未来流逝,而空间仿佛是向着三维的方向无限延伸。无论是屈子的《天问》,还是柳子的《天对》,都对时间和空间是无限的还是有限的迷惑不安。在《纯粹理性批判》中,康德将其明晰地表述为二律背反。


对于宇宙以及时间和空间的认识,人类经历了一个漫长的历史。


伽利略相对论的精义是,在做相对匀速运动的不同参考系中物理定律采取相同的形式;速度失去了绝对的意义。牛顿的经典力学和万有引力定律适用于地面万物乃至天体的运动。牛顿理论在并只在所有的惯性参考系中成立,不同的惯性参考系做相互匀速运动。


法拉第-麦克斯韦的电磁学预言,电磁波,比如光,在真空中以恒定的常数——光速传播。这就和伽利略相对论相冲突。为了解除这个冲突,爱因斯坦提出了狭义相对论。在该理论中,时间和空间被合并成平坦的四维时空,而物体的尺度、同时性、时间间隔都丧失了绝对性。狭义相对论的一个重要推论是能量和质量相等同。


马赫质疑伽利略相对论和狭义相对论中惯性系的优越性,他明确排斥旋转的绝对性。 他认为惯性系不是先验的,它必然和宇宙中的物质整体共动。爱因斯坦的广义相对论极大地发展了这个思想。爱因斯坦认为,万有引力应该被体现为时空的弯曲,正是物质的分布使时空弯曲,而自由粒子在弯曲时空中沿着最接近直线的所谓测地线运动。


爱因斯坦把广义相对论应用于整个宇宙标志着现代宇宙学的诞生。为了在广义相对论中得到一个静态的宇宙解,他在自己的场方程中引进一种反引力,即所谓的宇宙常数,因而无意间错过了一桩极其重要的预言:宇宙正在膨胀。


1929年,哈勃发表了红移定律:星系正在飞离我们而去,其速度与它和我们之间的距离成正比。宇宙学家一致认为,不是星系在飞离,而是携带星系的空间正在膨胀。这样,如果在时间上回溯,宇宙在过去的某一时期应该处于一个极其紧致的极热的相,这个相就是后来称为大爆炸的场景。现在我们知道,大爆炸发生在138亿年之前。膨胀宇宙的时空背景由弗里德曼在1922年发现的度规来描述。


1948年,伽莫夫等研究了大爆炸场景中的太初核合成。他认为,早期的宇宙具有极大的物质密度和极高的温度。在大爆炸后的几秒钟,宇宙的物质由电子、质子、中子和它们的反粒子以及辐射组成,在更早的时刻则完全由基本粒子组成。


随着宇宙膨胀,它逐渐冷却。在大爆炸后38万年左右,电子和核子结合成原子,其中主要是氢原子,宇宙因而变成透明的。伽莫夫认为,我们还应该能够观测到那个阶段的光子,只是由于宇宙的膨胀引起的巨大红移,它们现在变成了只有几开氏度温度的宇宙微波背景辐射。1964年,彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了这个大爆炸的余辉。目前这个辐射的温度被准确地测量为2.725开氏度。


弗里德曼时空度规的一个显著特征是,宇宙起始于一个尺度为零的奇点。一些前苏联科学家认为,这种奇性是起因于空间的均匀性和各向同性的假设,而实际的宇宙并不具备这样高的对称性,所以宇宙应压倒性地不具有大爆炸奇点。尽管如此,1970年,霍金和彭罗斯证明了,在经典广义相对论中,在非常合理的物质条件下,宇宙的大爆炸奇点是不可避免的。经典物理和因果性在奇点处都崩溃了。完整的宇宙图像,尤其是大爆炸起始的物理图像,应借助于还未被发现的量子引力论来加以描述。


人们可以用已有的物理理论的描述尽可能地逼近大爆炸奇点,直至时空量子效应开始显著地影响宇宙整体的经典演化。但宇宙的行为极端敏感地依赖于它极早期的初始条件。为何现在的宇宙如此平坦?在早先演化中从未有过因果接触的不同方向上微波背景辐射的温度为何一致?在极早期宇宙的量子场中,由于一些邻近的因果不相关的多个区域在相变时可能形成单极子,而且它们还应存活到今天。但为何它们从未被观测到?在大爆炸模型中,这三个所谓的“平性”“视界”和”单极子”问题都未能得到解释。


固斯和林德等人认为,只要假定在热大爆炸相之前还存在一个暴胀相,那时宇宙的尺度指数式地快速膨胀,就可以祛除以上三个问题。暴胀模型的优越性在于,宇宙在暴胀之前的无规性都被摊平并被扫到视界之外,而且宇宙中的结构则纯粹地起源于暴胀相的量子场涨落。霍金首先对此进行计算。他和吉本斯意识到这种涨落和他们早先研究过的宇宙视界的温度相关联。涨落的标量部分将体现在微波背景辐射的温度变化,它是星系、星系团等宇宙结构的籽。其张量部分就呈现为太初引力波。在之后的岁月里,这些计算得到很大的改善。标量的涨落计算和观测符合得相当完美,但太初引力波还未被观测到。


1998年,珀尔马特、施密特与里斯发现了宇宙正在加速膨胀。人们认为,这种加速是由于所谓的暗能量引起的。通过天文学家和宇宙学家的不懈努力,人们达到共识,宇宙空间是平坦的,宇宙的现有物质组成中百分之六十八为暗能量,通常被认为就是宇宙常数,还有百分之五的可见物质和百分之二十七的看不见的暗物质。


暴胀模型只能算是一个半自足的理论模型。如果我们认为宇宙是唯一的、包容一切的,则宇宙就必须是完全自足的。作为观测者的我们是它的一部分,此外我们的生命和智慧又是宇宙孕育的,所以宇宙学的研究极端困难,也最富有挑战性。这比“不识庐山真面目,只缘身在此山中”要深刻得多!


宇宙学的最重要问题是它的创生。这是哲学、神学和科学都极端关注的问题,亦是各种宗教的《创世纪》的主题。宇宙的创生转换成科学的术语应是“第一推动”。是什么在创生时刻给宇宙拧上发条,接着使它遵循着科学定律演化至今?

2006年,霍金在天坛


二、霍金的贡献

 

人们尝试了各种手段来研究宇宙的“第一推动”,也就是设定宇宙创生时刻的边界条件。霍金在1981年于梵蒂冈提出了“无边界设想”:宇宙的边界条件是它没有边界!没有一种边界条件比霍金提出的“无边界设想”更为简单、更为合理,也因此而更为美丽!


“无边界设想”使物理定律不仅制约宇宙的演化,还制约宇宙的创生,使上帝在宇宙中没有存身之处。宇宙本身是物理定律的实现。时空不能外在于宇宙。这个思想揭示了宇宙无中生有的场景。现在问题归结为宇宙为什么存在?而存在却是没有定义的。


霍金曾经对我说过,他对科学的最重要贡献是提出了“无边界设想”,但学界却公认黑洞物理尤其是霍金辐射是他的最大贡献。霍金认为,这是因为黑洞物理已经被普遍接受。他提出黑洞辐射理论时,人们还在争论黑洞是否存在。现在再也没有人怀疑它的存在了。


黑洞遵循所谓的“无毛定理”,它可仅仅由三个参数质量、电荷和角动量来描述。因此黑洞就成为极度纯粹的研究对象。在经典物理中,黑洞的表面即视界是只允许物质落进去而不能逃逸出来的单向膜。霍金于1970年发现的黑洞面积不减定律最清晰地体现了这一不可逆的过程:黑洞的视界面积永远不可能减小;当多个黑洞合并时,其视界面积的总和也是如此。


人们通常认为,所有的不可逆过程都应该由热力学第二定律即熵增定律来制约。当然我们现在知道这和时间箭头相关联。自然存在多种时间箭头,人们还在探寻究竟何种箭头最为基本。在黑洞面积定律发表后不久,柏肯斯坦就很自然地将黑洞的视界面积猜测为黑洞的熵。但在经典物理中,无物可以从黑洞离开,所以它的温度必须为零;而热力学第三定律说,零温度意味着熵根本是零。这就导致一个尖锐的矛盾。


1974年,霍金研究了黑洞时空背景的量子场。真空充满了不断创生不断湮灭的粒子反粒子对。在视界附近这些对的一个成员可能落进黑洞,而另一个成员可能也落进去,但也可能飞往无限远处。这些飞离的粒子具有黑体辐射的谱。在最简单的黑洞情形下,谱的温度和黑洞的质量成反比。这样随着黑洞辐射,黑洞的质量降低,相应的温度升高,辐射加剧,温度就变得更高,如此反复正反馈,黑洞最终在一次爆炸中消失殆尽。


引力坍缩形成黑洞,落进黑洞的物质的信息全部消逝,除了“无毛定理”的三个参数之外。这就引起了信息丢失问题。这个问题在物理学界争论了四十年。最近霍金等人认为,这些信息作为软毛被编码到视界上,因此信息并没有丢失。


总之,黑洞的霍金辐射的场景体现了引力论、量子论和信息论的一种统一。受黑洞辐射的启发,人们提出了引力全息原理。人们进而诘问,时空和信息何者更为基本。从牛顿、康德的先验的时间和空间,到马赫与宇宙物质共动的空间,再到爱因斯坦与粒子相互作用的时空,乃至对时空本体论的质疑,理性的锋芒所向披靡,锐不可挡。


2006年,吴忠超为霍金在北京的演讲作翻译

 

三、关于《时间简史》

 

霍金对宇宙学和黑洞研究的精华被凝聚在这部《时间简史》中。不少读者对这个书名有许多疑惑。就没有定义而言,仿佛时间并不比存在稍好些,对于如此没有内容的时间,何谓历史?其实,回顾霍金的研究生涯,对这问题就豁然贯通了。


广义相对论的奇性定理的研究使他在早年就已成为耀眼的明星,黑洞面积定律,尤其是霍金辐射的发现使他成为当代最重要的引力物理学家,而“无边界设想”终于祛除了长期折磨人类文明的“第一推动”问题。所有这一切研究都是与时间的有限无限、时间的起始和终结、实时间和虚时间息息相关。三十年前可以设想,实际上历史已经证明,如果这本书直接用宇宙或黑洞做主名,那么这个名字早就被磨损了。因为纯粹,必将永恒。当然,宇宙和黑洞是最美丽的科学对象,否则何以世上最好的头脑无怨无悔地将生命奉献给它们!正如音乐是最纯粹的艺术,宇宙学是最纯粹的科学。


这部书被公认为近几十年来影响最大的科学著作,其原因如下:


本书的主题是认识我们居住其中的宇宙,这正是生命和文明的最重要的诘问。


作者辉煌的学术生涯主导着引力物理和宇宙学前沿的潮流。


全书洋溢着创造的激情,一切从事科学甚至艺术的人士都可从中得到灵感。


作者与疾病搏斗的历史,体现了人类的坚强意志,无疑是生命的奇迹。


他以重病之身对地球上乃至宇宙中的文明命运之持续关注和思考,并不时发出独特声音,起到一种无可替代的社会活动家功能。


上世纪六十年代,宇宙学和天体物理即将转变成科学主流,而剑桥是近现代学术三个中心之一(另外两个中心是哥廷根和普林斯顿)。剑桥不仅是牛顿经典力学和麦克斯韦电磁学的发源地,也和生物学两次最重大的变革相关,提出进化论的达尔文在此受教育,克里克和华森在此发现了DNA双螺旋结构。此地群星灿烂,辉映古今。霍金正是上个世纪60年代和剑桥的时空交汇点涌现的历史人物。


1980年,霍金被选为剑桥大学崇高的卢卡斯数学教授,成为牛顿和狄拉克的传人。他对同类的贡献是这个星球的骄傲。


本人有幸在霍金的指导下于1984年初获得剑桥大学博士学位,研究的主题是极早期宇宙相变泡碰撞的时空度规。我在博士论文完成后,跟随他研究量子宇宙学。1985年,霍金和我合作发表了第一个宇宙波函数的数值解。1988年2月24日,他致函给我,授意将其新著《时间简史》译成中文,并随即寄来了首版书。同年愚人节这部英文原著正式在全球发行。


上个世纪末,神州大地风云际会,长期封闭的社会吸纳新思想如饥似渴。三十年来,此书对整个社会进步的启蒙推动作用,可与这个古老国度近世引进的几部经典相媲美。所有这些都完全出乎人们意料之外。令人欣慰的是,占全球五分之一的人口得以分享这位不世而出的天才的智慧结晶。

《时间简史》中译本第一版封面

 

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