霍金出新书啦！你能听懂他讲的黑洞奥秘吗？

相比于众多前辈，霍金无疑是“接地气”许多，他是“高高在上”的科学家，却来到我们身边，开了微博、讲了段子、还和邓超互动……成了让我们亲近的“网红”；另一方面，多年来，通过种种渠道和方式，霍金对许多人来讲都可以算是“我从小听着你的故事长大的”人物了，“身残志坚”是他的代名词：21岁确诊运动神经疾病的青年，被预告只能再活5年，却一直到今天都在发展理论物理的前沿。

霍金的著作颇丰，但是除了对常人来说天书般的学术文章和高深理论外，他还做了什么？

在红遍全球的《时间简史》中，霍金探索了时间和空间的奥秘，并对宇宙的本性、空间和时间、黑洞、时间箭头等问题进行阐述。而《我的简史》则是霍金的自传，讲述了一个炮火中诞生的英国男孩，是如何“倔强地”成长为今天我们所尊崇的坐在轮椅上的巨人。他还和女儿露西·霍金共同创作了小说《乔治的宇宙》“三部曲”，是写给孩子们看的科普书。和他相关的著作、传说、纪录片、电影更是不胜枚举，他自己客串了热门美剧《生活大爆炸》，以他为主角的《万物理论》使“小雀斑”捧回奥斯卡影帝奖杯。

《时间简史：插图版》

作者：[英] 史蒂芬·霍金

译者：许明贤 / 吴忠超

版本： 湖南科学技术出版社

这让很多人产生疑问：霍金为什么要做这些？

科学的语言需要一个“翻译”，霍金做的，就是这样的工作。当有人用高深的数学语言致力于将我们头顶的星空看得透彻点、再透彻点的时候，也需要有人告诉我们他们发现了什么，所以更多的人可以知道在离我们遥远的彼端，正在发生什么。霍金的工作是对大众科学思想的启蒙，一本本著作用通俗易懂的方式，梳理佶屈聱牙的物理问题和宇宙奥秘，吸引更多的人去关注、理解头顶的星空和自然科学的发展。

斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）

1942.1.8-

英国物理学家

“万物理论”

为什么霍金的传记片要被称为《万物理论》？

“万物理论”是物理学家们企图将世间万物统一于一个理论中的追求，他们希望通过找到一个单一理论就能够描述整个宇宙。自人类社会发展以来，但凡是有学科体系的建立，寻找完美的终极理论便成为了其中永恒的话题。

而在物理学界，“终极”也一直是其前进的动力，爱因斯坦说，“上帝不会掷筛子”，所谓的随机性和不确定性只是人们认识的问题而不是宇宙本身的属性。从牛顿到麦克斯韦再到爱因斯坦，宇宙与地球、电力与磁力、时间与空间在理论探索和实验证明下不断证明了其“万物”的可能性。

霍金预言：

根据霍金前妻简·王尔德的回忆录

《飞向无限:和霍金在一起的日子》改编的电影《万物理论》

“万物理论”有实现的可能性吗？

在目前看来，两种理论最有可能成为万物理论，一是广义相对论，二是量子场论。前者专注于研究宇宙中的大尺度问题；后者则是极小空间下的科学，探索解释最小尺度的粒子行为。

爱因斯坦在1915年提出的广义相对论解决了牛顿的引力理论在某些情况下不能适用的疑问，比如当遇到宇宙中的极端速度，或者是超强引力时的情况，水星的运行轨迹即是一例。爱因斯坦提出，引力应由弯曲时空的度规来体现，物理定律在任意坐标系中都采取同样的形式，而时空度规应满足爱因斯坦场方程。广义相对论是相对性原理、光以及引力三者和谐共存的理论。

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert.Einstein）

1879.3.14－1955.4.18

然而，正如上述指出的，粒子不同于一个苹果或是大型天体，它并不遵循牛顿和爱因斯坦创立的定律，爱因斯坦的理论在这时可能也不能是“万物理论”；但霍金开创地利用极小空间制度下的科学去研究大尺度的时空，使“万物理论”的发展又前进了一步，这正是我们熟悉的“量子理论”。

黑洞无毛

说到“量子理论”必然要谈到“黑洞”。在牛顿力学中，每个天体都有一个逃逸速度，只有投掷速度超过它时才能够成功摆脱天体，可是，如果天体的引力足够大时，这个速度也是足够大的，没有任何物体可以挣脱这个天体，包括光。这样的天体只能吞噬，不能释放，不能散发热量，也无法发射光，因此拉普拉斯才说，“宇宙中的最大星体可能是看不见的”，而20世纪中期，美国物理学家惠勒将这种“看不见的星体”命名为我们今天熟悉的“黑洞”。

“黑洞”名字的提出还有一个有意思的故事，惠勒造出这个词，想表明坍缩恒星残余本身是有趣的，这个词也让人联想到某种黑暗而神秘的东西。但是，法国人却察觉到了这个词更下流的一层意思，trou noir因为被认为具有更淫秽的意思在法语中被排斥，然而最终他们也只好屈服，霍金说：“何人能够抵制一个如此大获全胜的名字呢？”

法国人的拒绝没有起到什么效果，“黑洞”的名字风靡全球

可是既然“黑洞”是“看不见的星体”，科学家们又怎能知道有这样一个东西存在呢？1939年时，爱因斯坦还专门撰文表示，没有黑洞的存在，因为恒星不能在自身引力作用下坍缩。

这就涉及到了“黑洞”是如何形成的问题，惠勒在上世纪五六十年代中强调，恒星是会坍塌的。在一颗正常恒星的几十亿年寿命的大部分时间里，支持恒星对抗自身引力的力量来自于恒星内部的热压力，热压力产生于恒星内部的核聚变的爆炸力。然而，恒星最终必将耗尽它的核燃料，失去与自身引力对抗的热压力，这时候恒星就会收缩。相对较小的恒星会收缩成致密的白矮星，但很大质量的恒星则会收缩到具有无限密度的单独的一点，这样的一点被称为奇点，黑洞就此产生。奇点是霍金数学研究的典型主题，它不仅标志着恒星的终结，也有关整个宇宙的起点。

这并不是科学家随便的猜测，黑洞虽然是一片黑暗，无法被看到，但科学家们通过探测到超过十亿年前的两个黑洞碰撞产生的“引力波”，证明了“黑洞”确实存在。

在我们的印象中，人人都知道黑洞神秘莫测，可以吞噬一切，甚至衍生出当描述一个人为“黑洞”时，往往指他行为异常、突然冷场、有进无出的怪异表现。黑洞真的是这样的吗？

这种印象是有科学依据的。奇点时空曲率为无限大，我们日常所熟知的时空规则就不再适用。同时，黑洞是有边界的——事件视界。在视界上，引力的大小恰好足以把光拉曳到视界内并防止它逃逸。因为没有任何东西的速度比光还快，因此经过视界的所有其他东西也必然会被引力拉曳回去。这就好比乘舟穿过瀑布，在瀑布上游，如果你桨划得足够快，就能够逃脱掉下瀑布的命运， 然而一旦到达了瀑布边缘，再怎么划桨都无济于事了。

瀑布好比黑洞的事件视界，速度不够快，必然会掉入黑洞

1972年，雅各布.伯肯斯坦提出了柏肯斯坦定理，认为引力坍缩产生的黑洞会快速地在一个静态安顿下来，这个态只用三个参数就能表征：质量、角动量（旋转的状态）和电荷。除了这三个性质，黑洞不保留已坍缩的天体的任何其他细节，大量信息被丢失，这也就是惠勒所说的“黑洞无毛”。“黑洞无毛定理”使得黑洞研究变得极度纯粹，直击自然的核心奥妙。霍金认为，只要能理解黑洞以及它们如何挑战时空的本性，我们就会更接近揭开宇宙的奥秘。

进了黑洞还有救？

那么黑洞真的“无毛”吗？真的所有东西都无法从黑洞逃逸吗？霍金在1974年利用量子力学研究黑洞附近的粒子行为时发现，黑洞似乎是在以稳定的速率发射粒子，而飞离的粒子的谱是精确地热性的，这些计算首次表明，黑洞不一定是只出不进的，它会产生并发射粒子和辐射，这也就是著名的“霍金辐射”。

量子力学表明，整个空间充满了虚粒子和虚反粒子组成的虚粒子对，他们不断地成为实体又分离，再次碰撞并湮灭，而当其中一个虚粒子恰好在视界边缘落入黑洞，另一个则无法湮灭，它可能落入黑洞，也可能逃逸，成为黑洞的辐射，黑洞并没有想象的那么黑。体积庞大的黑洞泄出粒子的速度慢，难以检测。但霍金认为，若有一天他可以获得诺贝尔奖，就是因为有人能够发现体积稍小的“微”黑洞，这种“微”黑洞存在，且辐射量大。一个像山一样重的“微”黑洞足以给整个地球提供电能。

霍金的诺贝尔奖就要靠这个能给地球充能的“微”黑洞了

在想象漫游宇宙的无限可行性时，黑洞，可能是很多人担忧的问题。但霍金告诉我们，就算遇到黑洞也不用怕，你有机会逃逸出来，甚至逃逸到另一个宇宙。

可是逃出来的是你吗？霍金将之比喻为烧毁一本百科全书，留下的烟灰仍然保留着百科全书的信息，只是变得难以阅读。信息进入黑洞同样如此，霍金在数学上证实了粒子在超平移的过程中，在视界中植入大量只有在量子框架下才能看到的“软毛”，刺激信息被储存在事件视界里，由三维成为了两维的全息图。换言之，如果你掉入了黑洞中，不要害怕，你还存在，只是还需要科学家进一步的研究和发现才能将你还原成本来的样子。知道这个消息不知道是否鼓舞了不少人探索宇宙的热情。

不要怕，从黑洞中可以逃出来！

霍金坐在轮椅上，凭着有限的身体活动能力和无限活跃的大脑证明了宏大宇宙中渺小粒子存在的可能性。他说：“我所做的仅是证明，宇宙起始的方式可以取决于科学定律。在那种情形下，没有必要哀求上帝去决定宇宙如何起始。这并非证明没有上帝，只是说上帝是不必要的。”

霍金说的可能不一定是对的，他关于黑洞的研究和猜想有合理性也有存疑之处。可是知道有像他一样的许许多多科学家在努力解密着我们头顶的星空，总让人有些安心。

又何止是遥远的星空，对每个人来说，如果你觉得自己掉入了一个“黑洞”，记得，“它并不是想象中的那么黑，它不是永久的囹圄……永远不要放弃，总有逃命之路”。

《黑洞不是黑的：霍金BBC里斯讲演》
作者：[英]史蒂芬·霍金

版本：湖南科学技术出版社  2017年6月

本文为独家原创内容，部分素材来自《黑洞不是黑的：霍金BBC里斯讲演》。作者：雪山；编辑：小盐。未经授权不得转载。

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