果殼中的宇宙之王

張雨晨

導言：

霍金先生仙逝已經一月有余，他那飽受疾病折磨的身軀，已然安眠于倫敦威斯敏斯特大教堂，與牛頓、達爾文等科學巨擘共享無上榮光；而他的精神，則作為無價的遺產，留給塵世眾生。縱觀霍金傳奇的一生，不論是科學理論的發現、科學的普及傳播還是科學精神的引導，霍金先生都無愧為一代科學偉人。

在這喧嘩散去、塵埃落定的時刻，讓我們沉下心來，靜靜品味霍金留下的吉光片羽，以“繼承”——這一最符合他生前期望的方式，祭奠那從未離我們遠去的傳奇。

一、符號中的黑洞

不論一生何等傳奇，斯蒂芬·威廉·霍金首先是一名科學家。

作為一名物理學家，霍金先生在科學上的主要貢獻，就是對“黑洞”這一宇宙中最為神秘的天體進行的理論研究。

提起黑洞，很多人的腦海中都會浮現出一個孤懸星海的黑色旋渦，一刻不停地瘋狂吞噬著任何靠近它的存在。早在18世紀，數學家拉普拉斯就通過牛頓構建的物理體系，大膽預言了用強大引力束縛光線的黑色天體。但因為理論基礎的滯后，直到第一次世界大戰爆發后的1915年，德國科學家卡爾·史瓦西才基于愛因斯坦的廣義相對論，從數學理論上預言并描述了黑洞的存在。但不幸的是，作為黑洞研究先驅的史瓦西，卻未能看到他的理論開花結果——殘酷的戰爭在他誕生偉大思想之后不久便奪去了這位偉大科學家正值盛年的生命。當然，黑洞這種即便是現在都很難直接觀測的天體，在史瓦西之后的很長一段時間內，仍然只是一種理論層面的猜想；甚至連史瓦西本人，都對黑洞是否真實存在表示了基于科學精神的謹慎懷疑。

不過，當歷史進入到20世紀后半葉，隨著物理學的飛躍發展，以及觀測與計算技術的長足進步，原本無比神秘的黑洞，經過霍金等大批人類英才的深入研究，逐漸揭開了面紗的一角。

我們現在已經知道，宇宙中的黑洞，主要來自于超大質量恒星臨終時毀滅性爆發后塌縮的核心。拜其巨大的質量所賜，黑洞有著極為強大的引力，可以扭曲附近的時空，甚至作為速度極限的光，如果離黑洞太近，也難逃被吞噬的厄運。這條逃逸速度等于光速的臨界線，就是黑洞的表面——視界。

這個視界半徑以黑洞研究先驅史瓦西的名字命名。不過，這個數值并不僅僅針對黑洞，任何有質量的物體，都可以算出自己的史瓦西半徑。比如說我們生活的地球，雖然有著相對于人類日常生活來說全無可比性的59萬億億噸質量，但它的史瓦西半徑卻只有區區9毫米。也就是說，即便強行將地球整個壓縮成黑洞，它的視界半徑也就相當于一個粉筆頭。

在視界之外，黑洞的物理特性和一般的大質量天體并無根本性差異。如果一位遨游星海的未來航天員不幸掉入黑洞，那么早在他越過神秘的視界之前，黑洞引力形成的潮汐力就足以將他撕得粉身碎骨。反之，對于一些巨大的黑洞，如果將史瓦西半徑圍住的空間算作體積，那么它們的“密度”甚至并不比常規物質高出多少。

而在視界的內部，卻有著連光都無法逃逸的強大引力，其中的信息全無被外界直接觀測的可能，可謂是一個探測手段無法觸及、人類常識難以理解的神秘世界。黑洞的本體——理論上密度無限大、體積無限小的奇點，就位居正中。

正因為黑洞的本體深藏于“只進不出”的視界帷幕之后，所以對黑洞的研究就成了一座難以攀登的科學險峰。

霍金在他科研生涯的早期，基于傳統的相對論與天體物理學框架，對黑洞的性質進行了理論上的探索，推導出了一些有關黑洞的規律。比如說，霍金等人從數學上證明，在從恒星殘骸塌縮為奇點的過程中，黑洞丟失了絕大部分的信息。換而言之，一個成型的黑洞，將只會保留質量（引力和視界半徑）、電荷以及角動量這三個基本特征，至于其他的“前世因緣”，則全部被強大的引力一筆勾銷。這樣一來，黑洞就成了宇宙中外部特征最簡潔的天體，描述起來反而變得非常簡單。

正是憑借這條“無毛定理”，我們可以根據黑洞三大特征的具體情況，將它們分成四大類。其中，不旋轉、不帶電的黑洞被稱為“史瓦西黑洞”，旋轉但不帶電的被稱為“克爾黑洞”，不旋轉卻帶電的稱為“R-N黑洞”，既旋轉又帶電的被稱為“克爾-紐曼黑洞”。更為奇特的是，當黑洞旋轉起來之后，視界將分離成內外兩層，而奇點則會變成環形。原本“不可名狀”的黑洞，在數學工具的解構下，逐步顯露出了自己的真面目。

然而霍金并不滿足于自己早年的成就。為了更深刻地理解這種神秘的黑色天體，他將原本用于研究極微觀世界的量子力學與探索極宏觀宇宙的天體物理學進行了交叉融合，利用量子力學的全新理論，探索黑洞的奧秘。

經過復雜的計算，霍金驚訝地發現，如果將量子力學中對真空能量漲落的描述引入黑洞的數學模型，那么原本“一毛不拔”的黑洞將有可能開始丟失能量。

簡而言之，在量子力學的觀念中，真空雖然看似平靜，卻無時無刻不充斥著正負虛粒子對的誕生與湮滅，這樣持續漲落的動態平衡，才是真空的本來面目。如果將量子力學對真空的描述代入黑洞的體系，就有可能出現這樣的情況：在黑洞視界的邊緣出現一對正負粒子，如果它們馬上彼此湮滅或者雙雙被黑洞吞噬，那倒也好說；但貪婪的黑洞也有可能在它們還來不及湮滅時，就“吃掉”了攜帶負能的虛粒子，卻意外地放過了攜帶正能的虛粒子，并讓其在黑洞之外成了實粒子。如此一來，黑洞就損失了一份實粒子的質量，也可以等價于黑洞向外發射了一個粒子。此外，負能虛粒子本身無法獨立存在于黑洞之外的環境，所以并不會出現黑洞吞掉正能虛粒子卻放過負能虛粒子的情況。

正是因為黑洞有可能在量子力學框架下出現這樣的“挑食”行為，所以霍金通過數學手段證明，黑洞并不是真正的“漆黑一片”，而是會因為附近空間的量子漲落而出現向外“蒸發”物質、放出射線的情況。這種看似玄乎的現象，就是大名鼎鼎的“霍金輻射”，也是霍金最重要的科學成就！

經過嚴密計算，霍金等人發現，“霍金輻射”的速度與黑洞的質量成反比，越大的黑洞，“蒸發”越慢。這多少有點兒類似我們平時接觸的熱學現象——體積越大的東西，相對表面積越小，所以涼得越慢。而當黑洞質量變得較小之后，這種“蒸發”將會越來越快，最后甚至成為“爆炸”，在極短時間內將黑洞剩余的質量全部拋出，徹底終結這個黑洞的存在。

按照霍金的推斷，科幻作品中屢屢出現的“人造微型黑洞毀滅世界”橋段，實際并不會那么可怕——這些誕生于超級對撞機中的超小號黑洞在形成之后根本來不及“吃飽”就會迅速“人間蒸發”，落得個瞬間灰飛煙滅的下場，并不會對宏觀的人類世界造成任何可見的影響。

但是，霍金雖然從數學上對黑洞的輻射現象給出了嚴謹可靠的推斷，其理論也得到了物理學界的廣泛接受，可對于自星骸中誕生的龐大黑洞來說，“霍金輻射”即便真的存在，也將十分微弱。直到目前，人類窮盡所有的觀測手段，依然沒能在宇宙中直接觀察到可靠的霍金輻射。另有一些人，則轉而去尋找宇宙早期黑洞最后急速“蒸發”時產生的耀眼余暉，然而他們同樣也還沒有獲得足以令科學界信服的過硬證據。

正因為這一非凡思想終究只是停留在紙面上的理論，所以霍金縱然對人類物理學發展做出了突出的貢獻，但也無法獲得頒獎標準嚴謹保守、更傾向于“蓋棺定論”的諾貝爾獎。但沒有獲得諾貝爾獎，既不能成為評價霍金科學貢獻大小的標準，也非諾獎評委有眼無珠。可以說，霍金等一批科學英才“取得巨大理論成就卻沒得諾貝爾獎”的現象本身，反而是現代科學“大膽設想、小心求證”精神的最好寫照。

二、輪椅中的巨人

絕大多數人對霍金先生的第一印象——也是最深刻的印象——都是他癱坐于高科技輪椅中的形象。

霍金所患有的這種疾病，被科學家們稱為“肌萎縮側索硬化”。而民間則給這種名字不好念的疾病起了一個生動的俗名，叫“漸凍癥”。意思就是說，患有這種疾病的人，身體的運動能力越來越差，就像逐漸被凍住了，最終都難以避免像霍金那樣完全無法運動的結局。

那么，這種折磨著霍金等人的怪病是什么原因導致的呢？這得從我們正常情況下如何運動說起。在健康的時候，我們之所以能夠自如運動，都是靠著遍布我們全身各處的肌肉。比如說，四肢的肌肉，通過有規律的收縮舒張，準確地拉動各個關節，就可以讓我們邁開雙腿走路、抬起雙手操作各種工具；眼球周圍的肌肉，則能幫助我們眨眼睛、轉眼球；咽喉與口腔的肌肉，能讓我們吞咽食物、妙語連珠；肋骨間的肌肉，則可以通過活動胸腔，使我們自如地呼吸空氣。這些肌肉，就是人體這部大機器上的一臺臺發動機，彼此精密配合，讓我們能夠自由地運動、健康地生活。

但是想要讓身體運動，不光需要肌肉，還要有控制肌肉運動的神經。一輛賽車即便馬力再強勁，如果沒駕駛員踩油門，也只能趴在起跑線上。同樣，人體的肌肉也需要神經系統來指揮它進行運動。在我們的大腦和脊髓里，就有這樣一群專門負責控制肌肉運動的神經元。這些運動神經元，有的是“指揮官”，待在大腦皮層里，向下伸出一根長長的軸突，作為往下傳達運動指令的“電話線”。還有一些神經元位于小腦，作為“秘書”，負責將大腦皮層籠統下達的命令加工成細致協調的作戰計劃。另有一些位于脊髓的運動神經元，相當于“書記官”，負責抄送分發文件。而最下游的運動神經元，就是最后的“傳令兵”，它們的軸突末端連接在肌肉上，就像一只懸在開關上的手指，隨時準備按下開關，指揮肌肉運動。

那么，霍金為什么癱在輪椅上起不來呢？是控制運動的肌肉出了問題？還是控制肌肉的運動神經元出了問題？經過長期的臨床和病理學研究，科學家發現在“漸凍癥”患者的身體里，最先出問題“犧牲”的是運動神經元。隨后，運動神經元所控制的肌肉因為無人指揮，也很快就跟著萎縮掉了。

也就是說，正是因為運動神經元首先死亡，并使得肌肉跟著萎縮，才讓霍金等“漸凍癥”患者的運動能力逐步下降，最終徹底喪失的。

至于為何“漸凍癥”患者體內會出現針對運動神經元的特異性病變，目前依然沒有定論。一種較為廣泛接受的假說認為，在這些患者體內，運動神經元由于某些尚不明確的原因，會額外積累代謝產生的毒素，最終因無法及時清理而死亡。而且運動神經元和人體內絕大部分神經元一樣，作為其本體的“胞體”在成年以后幾乎完全無法再生補充，可以說是“壞一個少一個”的“限量品”。因此，一旦這個毒害過程開始，其癥狀就幾乎無法逆轉，即便有辦法及時清理毒素，也只能保住殘存的運動神經元，而難以重建完整的運動能力。

事實上，大部分“漸凍癥”患者都不如霍金這么幸運，由于不能得到如此先進的照顧和治療，他們生活的痛苦可想而知。但另一方面，霍金的病情與尋常的“漸凍癥”也有很多不同之處。他能夠“帶病延年”五十五載，絕對可謂奇跡。不過這種情況在臨床醫學上卻并非無法解釋。因為人類的個體差異，同樣的疾病對于不同患者來說可能有著大相徑庭的表征和預后。而像“漸凍癥”這樣我們了解深度可能還不及黑洞的復雜疾病，經過基礎醫學的深入研究后，甚至可能會發現其實是幾種癥狀相似但致病機制不同的疾病，那么患者的命運，自然也會有所不同。

但不管如何，我們可以肯定的是，霍金先生在二十出頭的大好年華就不幸遭遇了嚴重的神經損傷，但他卻以常人難以想象的巨大毅力，以及更加超人的幽默感坦然面對了自己的命運，并走完了自己堪稱奇跡的精彩一生。也許，正是他在腦中仰望的浩渺蒼穹，給予了霍金超然面對人生的豁達與樂觀，讓他拖著如此的殘軀，登上了遠高于絕大多數人的精神頂峰。

三、腦海中的星空

對于大部分人來說，霍金更多是一名科普作家。

《時間簡史》固然是有史以來最為暢銷的科普讀物之一，但買下它的人雖多，打開它的人卻少。更多的人，只是將它以及霍金先生本人，作為一個象征科學的符號，不假思索地加以收藏，裝點自己的門庭。

然而霍金先生本人對于自己的盛名卻泰然處之，并不介意眾人對他的形象進行消費。相反，他以驚人的幽默感，積極參與到各類社會活動中，甚至曾在《星際迷航》與《生活大爆炸》等影視劇中粉墨登場、本色出演。至于借用霍金形象的藝術作品，更是數不勝數。歐美的自不必說，在大劉的《朝聞道》《中國太陽》等作品中，霍金也扮演了畫龍點睛的重要作用；甚至在更加商業化的日本動畫《機動戰士高達》里，霍金也曾被制作者畫進熒幕，成了科學精神的象征。當霍金先生離世后，科幻游戲《星戰前夜》中的玩家們自發地點亮了傳送信標，讓游戲中堪比黑暗森林的宇宙，為科學巨人而閃耀。

對于自己積累的巨大人望，霍金先生也未曾揮霍。在各種公開活動中，他反復地提醒臺下的聽眾，人類雖然取得了如此之多的科學成就，但也面對著諸如能源危機、環境污染、核武器擴散甚至人工智能等來自科學的挑戰。不過，不同于很多提倡“回歸”所謂“田園生活”的批評家，霍金先生對于這一切問題給出的解決方案依然充滿了科學精神，那就是——走出去，擺脫重力對思想的束縛，勇敢地踏入頭頂的群星！正如科幻先驅威爾斯在百年之前所言，人類文明的命運，“要么遍布宇宙，要么徹底滅亡”。

對于霍金，繼承他的探索精神，就是最好的祭奠。

【責任編輯：劉維佳】