霍金励志故事 霍金逝世2周年 物理博士带你认识一个真实的霍金

本文转载自微信官方账号:中国科学院物理研究所

不知不觉中，雄心勃勃、身残志坚的大科学家霍金已经去世2年了。人虽然走了，我们还是会怀念他传奇的一生。

霍金21岁时患有肌萎缩性侧索硬化症。他瘫痪了，不能说话，手里只有三个手指。他仍然能够在如此困难的条件下进行复杂的推导和计算，学习理论物理，这需要极大的勇气和毅力。

然而，我们问霍金对科学研究的贡献。非物理专业的应该看起来一片空白。毕竟，它们属于前沿研究。另一方面，我们提到了爱因斯坦。他对科学研究有什么贡献？不在幼儿园的孩子基本都知道相对论。

人类是如何观察黑洞的？比如通过观察双星现象，观察会被黑洞吞噬的物质会螺旋下降形成吸积盘，就可以间接知道黑洞的存在。有了这些理论和天文现象作为基础，我们可以进一步研究黑洞。这是霍金最重要的贡献，因为黑洞是宇宙学中理论基础和观测事实相对充分的天体，但霍金辐射的可观测性很小。无论是直接证据还是间接证据，即使黑洞可以蒸发，也可能需要几亿年。

2.奇点定理

在广义相对论的框架下，霍金和罗杰·彭罗斯证明了宇宙时间空中存在奇点，黑洞中的奇点是时间的终点，大爆炸的初始奇点是时间的起点。奇点定理作为宇宙学中一个成熟的观点被广泛接受，在很多著作中都可以看到和阐述。而奇点是一个特定的时间点空，密度无限大，曲率无限大，体积无限小，理论上已经达到普朗克尺度。这时，量子力学也许能发挥作用，于是就出现了矛盾。广义相对论可以预测奇点的存在，广义相对论在奇点可能是无效的。

3.有界宇宙模型

这其实是现代宇宙学之父爱因斯坦在解释宇宙模型，但是霍金提出了这个观点。这种观点可以和球相比。蚂蚁爬在球上时，永远看不到球的边缘，因为没有边缘，球本身的体积被限制在空之间。因为人类无法感受和想象四维以上的时间空，所以无法想象真实的宇宙到底是什么样子。也许我们现在看到的只是多维宇宙中的三维。

霍金的主要工作是在20世纪60年代末和70年代初黑洞研究的大发展时期完成的。他为统一20世纪物理学的两大基础理论，即爱因斯坦创立的相对论和玻尔创立的量子力学，做出了一定的贡献。霍金的工作是宇宙学非常重要的一部分，但它并不具有开创性。显然，宇宙学的基础是广义相对论，许多复杂的问题只有统一量子力学才能解决，霍金在这方面做了很多努力。

物理学的发展历程

在这里，我们可以普及一下物理学的发展历程及其开创性的工作。物理学上第一个划时代的发展是牛顿建立了经典力学、牛顿三定律和万有引力定律的框架。经典力学把人类对整个自然界的认识推向了一个新的高度。牛顿统一了天上的运动和地上的运动，实现了天上和地上力学的伟大综合，从力学上证明了自然的统一。这是人类对自然历史认识的第一次飞跃和理论综合，开辟了一个新的领域

第二个划时代的发展是法拉第和麦克斯韦建立的经典电磁场理论。19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，引入了位移电流的概念。这个概念的核心思想是，变化的电场可以产生磁场；变化的磁场也会产生电场。在此基础上，他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。

这组方程，称为麦克斯韦方程，是经典电磁学的基本方程。摆脱经典力学框架的束缚:在物理学中以“场”代替“力”作为基本研究对象，在数学中引入不同于经典数学的向量偏微分运算，麦克斯韦的工作实际上已经突破了经典物理和经典数学的框架。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，后来被赫兹的实验所证实。

于是人们意识到麦克斯韦电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。它为第二次工业革命奠定了基础。发电机利用电动力学定律将机械能转化为电磁能，而电动机利用电动力学定律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电和电灯都是经典电磁学发展的产物。

第三次划时代的发展源于经典物理大楼里的两朵“乌云”，一朵由爱因斯坦解决并建立了狭义相对论，另一朵由玻尔为首的一大批年轻物理学家建立的量子力学解决。原本以为物理楼只需要修修补补，但新理论的建立直接拆除重建了物理楼，打开了新世界的大门。新理论彻底打破了人们现有的对世界的认识，相对论打破了绝对时间/[/。

量子力学告诉我们，世界是不连续的，打破了我们以前关于物质和能量连续性的概念。相对论和量子力学为人类认识世界奠定了坚实的基础。原子能、半导体、超导、激光都依赖于这一基础，不仅深刻影响了物理学的发展，也直接导致了半导体、计算机、光通信等一系列高科技产业的产生和发展。

显然，从物理学的发展历史来看，牛顿和爱因斯坦绝对是教父。霍金是伟大的，这是事实，但他不能和他们相比。在西方乃至全球物理学的象牙塔中，霍金从未被物理学权威正式授予“第一号”荣誉称号，只有服务单位给予他“一号”荣誉评价。最近，中国互联网上出现了“最伟大的科学家”去世、“最聪明的大脑”离开、“爱因斯坦之后的第一人”去世等虚假文章。国外媒体对他去世的讣告是:“著名物理学家斯蒂芬·霍金去世，享年76岁。”

然而，他对物理学普及的贡献是绝对无法比拟的。他撰写出版了《壳中时间宇宙简史》，向广大人民群众介绍了一些常见的现代物理理论，让更多的人了解了物理。《时间简史》自1988年创刊以来，已被翻译成40种语言，累计销量达2500万册，成为全球最畅销的科学著作。

有这样一个笑话:在火车上，一位美国富商饶有兴趣地读着一部时间简史，一位老人俯下身问他在读什么。这位富商说:

“你没读过时间简史吗？”

“没有”

于是富商们开始向长辈们讲述时间的简史及其内容。当火车到达车站时，富商讲完话，然后他想起问老人他的职业。老人笑着说:

“哦。我是前苏联科学院的院士。”

虽然这一段颇具讽刺意味，但可以说明霍金在科普方面做得很好，让大众很容易就能谈论到高级物理。我们必须明确，科学研究和科普是完全不同的概念。霍金的《时间简史》通俗易懂，让大多数人觉得物理学比较简单，从而让人愿意去理解物理学。鼓励更多的青年人才投资物理研究，为物理学的发展奠定了坚实的基础。霍金的去世标志着物理学“恒星时代”的结束，很难有像霍金这样传奇的一生，向全人类闪耀着物理学的思想。