霍金七十年

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。

他和卡特、伊斯雷尔、罗宾逊和惠勒证明了黑洞的无毛定理，即一切稳态的黑洞都可由它的质量、电荷和角动量完全描述。从此黑洞就被认为是宇宙间最美丽的天体。

黑洞的表面是被称为视界的单向膜，物质和信息在视界处只进不出。一九七二年他证明了黑洞面积不减定理，单独黑洞视界的面积永不减小，而几个黑洞合并后形成的黑洞的视界面积不小于原先黑洞视界的总和。这个结果使柏肯斯坦猜测到，黑洞视界面积代表着被它隐蔽的黑洞内部的信息量即熵，而视界的每普朗克面积单位储存一个比特信息。之后，霍金和巴丁、卡特写了黑洞力学四个定律的论文，虽然这四个定律和热力学非常类似，但他们反对柏肯斯坦的猜测。

一九七四年霍金发表了他一生影响最深远的黑洞辐射的研究。他考虑到量子场在视界附近的涨落，发现粒子可以从黑洞内穿透视界而蒸发出来，这样黑洞的质量由于粒子逃逸而减小。飞向远方的粒子具有黑体的热谱。在最简单的黑洞情形下，其温度和黑洞质量成反比。由此在最后阶段，黑洞的质量变得极小而温度变得极高，黑洞以爆炸而终结。在黑洞辐射的场景中，相对论、量子论和热力学得到了漂亮的统一。

霍金接着指出，由于黑洞辐射的热谱不携带信息，所以引力坍缩前物体携带的信息就丢失了。在黑洞参与下，量子的纯态就会演化成混合态。而微观黑洞或时空泡沫无所不在，纯粹量子态的演化便不可能。这就是引起量子论家恐慌的黑洞信息丢失悖论。

霍金的结果表明柏肯斯坦的猜测是正确的。柏肯斯坦进而指出，对于一个静态的物质配置，在给定的外围面积下，熵也就是内部可以储存的信息有个最大值，只有黑洞才达到这个上限。人们从二十世纪八十年代开始努力将这个结果推广成后来在量子引力和弦论中的全息原理，并且认为一个空间区域内部的态，可由在边界上的编码来描述。

粒子物理学家对黑洞信息丢失悖论一直如鲠在喉。一九九九年威尔泽克等将霍金辐射作为隧穿问题来考虑。隧穿是量子论百年来的一个基本问题，但以往所有的工作都假定粒子在恒定的势垒中穿过，或至少粒子对势垒没有反作用。而在霍金辐射中，粒子的穿越过程引起黑洞质量减小，势垒则随之改变，这是势垒和粒子相互作用的动力学过程。他们以非常巧妙的计算表明，霍金辐射并不拥有严格的黑体热谱，它携带出黑洞内的信息。这个研究在用纯粹引力物理手段解决悖论的方向上迈出了关键一步。

二○○四年霍金宣布他认为黑洞视界应允许信息逃逸，因而悖论不再成立。

霍金辐射的发现开创了引力热力学的新学科。受它的启发，安茹发现粒子在真空的平坦时空作加速运动会感受到和加速度成正比的温度。关于这个温度的物理含义仍然不清楚。但是，雅各伯逊论证道，将安茹效应和物理定律在任何弯曲坐标系的形式都一致的原理结合，就足以将广义相对论导出。

由于引力量子化一直没有成功，许多人认为，引力和其他基本的力——弱电力和强力不同，也许不是基本的力。受引力热力学的启发，有人提出引力本身是一种由热力学导出的熵力，甚至时空也是附带涌现出来的。在亚里士多德—牛顿—康德的观念中，时空是先验存在的，物质对它无作用；而在爱因斯坦的观念中，时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。现在的观念是，在物质运动时或者熵流变时时空伴随着涌现，不仅两者相互作用，而且存在性也相互依存。就时空观和宇宙观而言，科学开创的敏锐和想象的奇妙是其他学科望尘莫及的。

大爆炸宇宙模型成功的背后还隐藏着危机。因为爱因斯坦场方程的宇宙解即演化对于初始条件是极不稳定的，初始条件的极小改变就会导致面目全非的演化。上世纪八十年代一些人提出，在宇宙大爆炸后的极其短暂的时期应经历过一个指数式的暴胀的阶段。有过这个阶段，当今的宇宙就变得非常平坦，既没有过早收缩，又没有膨胀过速以致来不及形成星系，在天穹的原先以为不可能有过交流但具有同样温度的不同区域就可以有过因果关联。最可贵的一点是，由于暴胀将之前的宇宙无规性摊开抹平，暴胀阶段的量子场的涨落就变成在后来大爆炸宇宙模型中的星系、星系团等的结构起源的仅有的籽。马瑟和斯穆特借助一九八九年发射的COBE卫星精密地测量到二点七二五开尔芬的宇宙微波背景的黑体谱和各向异性，其中温度的相对起伏为十万分之一。

暴胀模型的指数式暴胀实现依赖于一个称为暴胀子的场，它具有一个暴胀势。在暴胀相之前宇宙处于某种假真空状态，那时暴胀势的作用类似于宇宙常数，使得宇宙以指数式膨胀，宇宙的状态从暴胀势的假真空慢慢滚下而不必隧穿势垒，以免形成和宇宙均匀性相冲突的泡。但假真空的初始假设表明，标准大爆炸模型的问题在暴胀模型中只是被缓解，而没有被彻底解脱。霍金提出，在势垒的顶峰可以自发产生一个四维球的瞬子，它滚下的过程即伴随着暴胀，这显然要自然得多。暴胀模型的另一个问题是，假定的暴胀子和暴胀势的物理基础还没被找到。

实质上，无论是标准大爆炸模型还是暴胀模型遭遇到的困难都是第一推动的问题。在一般的物理系统中，初始或边界条件可任意选取，所以不是研究的对象。但宇宙不同，因为宇宙，至少我们居住的宇宙，是唯一的，所以宇宙的边界条件和物理定律一样重要。霍金论证道，对于宇宙的边界条件，没有任何一种设想会比宇宙的边界条件是它没有边界的设想更合理。这个设想由利用费恩曼的历史求和得出宇宙的波函数来实现。由此宇宙学不仅成为自洽的，而且是自足的了。也只有这样，宇宙学才具有预见性。

人们可以从无边界宇宙的波函数来研究和预言宇宙中的一切，诸如暴胀、各向同性、结构的起源、太初黑洞、太初引力波、时空维数和时间箭头等。值得指出的是，至此研究的创生的宇宙模型都是闭合的。

一九九八年施密特和里斯，以及保穆特，利用Ia型的超新星作为标准烛光，发现了宇宙在加速膨胀，这是一个令人吃惊的结果。这样，宇宙中的物质成分就必须和原先设想的大不一样。要使宇宙加速膨胀，必须拥有和引起膨胀减速的可见物质和暗物质不同的成分，这种成分被称为暗能量。人们对于暗能量的其他禀性一无所知。之后几年，微波背景辐射、引力透镜和宇宙大尺度结构，还有改善的超新星测量的研究一起得到共识，宇宙中暗能量占总能量的百分之七十三，暗物质占百分之二十三，余下的是可见物质；宇宙极其平坦。许多人认为，暗能量很可能就是爱因斯坦在近一百年前引进的宇宙常数。若如此，宇宙在遥远未来将无限地指数式地膨胀下去，最终趋向极低固定温度的冷寂。要在理论上论证存在这个宇宙学家认为很大、而粒子物理学家认为极小的宇宙常数是极为困难的。

观测宇宙学家宣布宇宙极其平坦，理论宇宙学家就面临着研究开放宇宙的创生问题。一九九八年后，霍金和图洛克发表了几篇很有影响的开放宇宙创生的论文，但二○○九年图洛克在剑桥承认这个问题还是未被解决。

物理科学的桂冠是实现爱因斯坦的世纪梦想——寻求统一理论。从二十世纪七十年代开始，人们在理论上发现了存在于物质和力即费米子和玻色子之间的超对称，由此发展了超引力、超弦和M理论。许多人认为还未成功的M理论很可能是个终极理论。但M理论是一族理论网络，五种弦论和超引力是它在不同情形下的近似。在M理论中时空是十一维的，这是由M理论的自洽性要求的。

在科学王国中，世间的一切都由这些定律制约，这使得自由意志无存身之处。在拉普拉斯的决定论框架中，宇宙生命是暗灰色的。霍金的无边界设想的宇宙创生理论虽然成功地把超自然的造物者摒除于宇宙事务之外，但人们发现，我们的宇宙环境和表观定律似乎被仔细地调谐过，使得生命和智慧得以发展。

M理论为此提供了解释。它拥有多于10500个不同的宇宙解。即便不同的宇宙都存在，它们之间也没有交流。然而，霍金提出，由观察者存在的条件对我们的环境甚至我们四维时空表观规律的要求，会把我们的世界从“多世界”中挑选出来，这种思想被称为人择原理。我们的存在要求其中的七维被卷缩，而我们生活在余下的四维大尺度时空中。七维的卷缩方式决定我们四维时空的表观定律。人择原理要求表观定律必须如此这般，特别是，要求我们栖息的世界的状况和太阳系相差无几，要求基本粒子服从称为标准模型的理论。至少在这个意义上，我们自身参与了宇宙的创造。霍金于上世纪七十年代就在经典宇宙学中研究过人择原理，在人们发展了M理论后，这个原理得到充分的阐释。

M理论在数学上非常美妙，也能包容之前的许多理论模型，这是许多优秀的头脑致力于研究它的原因。但在物理上，M理论至今仍缺乏特有的基本原理，这与狭义相对论和广义相对论分别有光速不变原理和等效原理作为基础迥然不同。超对称当然是M理论中的一个非常重要的原理，但它并非专为M理论提出的，它的提出比M理论要早得多。

M理论还未被观测所证实，甚至还未能独立地提出过一个可被证伪的预言。弦论家们预言M理论很可能实现爱因斯坦统一理论之梦，但就目前而言，还远未像相对论和量子论那样被广泛接受。

霍金的无边界宇宙的设想无论在科学上、哲学上还是美学上都具有巨大的魅力，而许多人认为M理论也许是我们梦寐以求的万物理论，那么为何这些美妙的理论必须存在宇宙去实现它们呢？这就牵涉到何为实在的问题。霍金认为，哲学为了和当代科学的成就相容，必须采纳他称为依赖模型的实在论：所谓实在只不过是一族协调的并与观测符合的定律，此外别无他意。

目前我们知道，宇宙的寿命是一百三十七亿年，而人类获取宇宙知识绝大部分仅发生在近一百年内。霍金的七十年生命在这一历程中留下了深刻的印记。

近百年的人类发展的确是空前的，但资源和环境的代价也是空前的，下一百年又如何呢？霍金说：“地球人口急剧增加，但地球资源有限。此外，人类的技术可以令环境变得更好，或更坏。可是，人类的基因仍然有私心、野心的本能。这在以前是生存的要素，但在未来百年要避免灾难会很困难。”他还说：“人类要长期生存，不能靠躲在地球度日，必须往太空发展。”鉴于这样的一种前景，一切规划就得以这个极限来制定，但愿人类的智慧和优雅最终能战胜贪婪和愚昧。

（《大设计》，霍金、蒙洛迪诺著，吴忠超译，湖南科学技术出版社二○一一年版，48.00元）