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2018年3月14日，自愛因斯坦以來最有名氣的物理學(xué)家霍金在劍橋大學(xué)的家中安詳去世，享年76歲。今天是霍金去世一周年的紀(jì)念日，作為從小聽著他的故事長大的一代人，還是無比懷念，謹(jǐn)以此文表達(dá)對他的思念，也讓更多朋友了解他的成長簡史、成就簡史以及太空夢想。
霍金1942年1月8日出生于牛津，父親是畢業(yè)于牛津大學(xué)的熱帶病專家，母親也畢業(yè)于牛津大學(xué)，研究哲學(xué)、政治和經(jīng)濟(jì)。
帥帥的父親抱著嬰兒時期的霍金
霍金出生這天正好是現(xiàn)代物理學(xué)的始祖——伽利略逝世300年的忌日。當(dāng)然，他并沒有把這種巧合當(dāng)成某種奇跡，他曾經(jīng)說：“我估計(jì)那一天還有其他20萬個嬰兒出生。”也許又是一次歷史巧合，3月14日又恰好是愛因斯坦的誕辰，不知道霍金在天有何感想。
霍金在17歲的時候進(jìn)入了牛津大學(xué)，父親希望他學(xué)醫(yī)，因?yàn)閷W(xué)醫(yī)工作機(jī)會更多一些，但霍金卻對數(shù)學(xué)和物理充滿熱情，最終他以物理作為自己的專業(yè)。本科畢業(yè)后，他拿到了一等學(xué)位證進(jìn)入劍橋大學(xué)深造。
12歲的霍金和1962年牛津大學(xué)畢業(yè)時的霍金。
在理論物理學(xué)中，有兩個最基本的方向：一個是研究微觀領(lǐng)域的粒子物理學(xué)，另一個是研究宏觀領(lǐng)域的宇宙學(xué)。當(dāng)年，霍金覺得粒子物理學(xué)更像是給各種粒子分類，沒有一個統(tǒng)一的理論指導(dǎo)（當(dāng)年還沒有粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型）。而宇宙學(xué)中，有現(xiàn)成的廣義相對論，于是他選擇了后者作為自己的研究方向。
在劍橋大學(xué)，有一位世界最著名的天文學(xué)家福雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）。霍金當(dāng)時也是奔著霍伊爾去的，但未能如愿以償。他的導(dǎo)師被指定為物理學(xué)家席艾瑪（Dennis W. Sciama）。事實(shí)證明，席艾瑪?shù)膸W(xué)生風(fēng)格更適合霍金。60年代和70年代初，他的大部分精力都是用來為他的學(xué)生營造一個理想的成長環(huán)境，把個人的研究放在了第二位，獲得的獎勵和榮譽(yù)更多的是他的學(xué)生，這樣的導(dǎo)師更符合蠟燭的精神：燃燒自己，照亮別人。除霍金外，席艾瑪還培養(yǎng)了諸如馬丁·里斯（oMartin Rees）這樣的一大批世界頂級的天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家。
1、奇性定理
1916年，在愛因斯坦廣義相對論剛剛提出后，德國數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家史瓦西（K.Schwarzschild）就得到了愛因斯坦場方程的第一個嚴(yán)格解，即史瓦西外部解或史瓦西度規(guī)，也就是數(shù)學(xué)意義上的黑洞。
然而，現(xiàn)實(shí)中是否存在黑洞呢？當(dāng)時科學(xué)界是存在很大爭議的。
1939年，美國“原子彈之父”奧本海默（J. Robert Oppenheimer）及其合作者研究了完全球?qū)ΨQ、密度均勻，沒有旋轉(zhuǎn)，沒有壓力的理想恒星的坍縮過程。在這種完全理想的前提下，恒星的質(zhì)量大到一定程度，黑洞的形成是不可避免的，從而形成與外界宇宙隔離的視界（Horizon）。那么，黑洞中心會形成什么呢？奧本海默并沒有給出任何解釋。但他的方程卻暗示著，在黑洞的中心會形成體積無限小、密度無限大的奇點(diǎn)（Singularity）。
然而，奧本海默的模型太簡單了，現(xiàn)實(shí)中恒星多少都有旋轉(zhuǎn)，不可能完全不受干擾保持完美球?qū)ΨQ。因此，任何非完美的恒星在坍縮的過程中，存在發(fā)生反彈的可能性，不會在中心形成奇點(diǎn)。關(guān)于這一點(diǎn)，前蘇聯(lián)物理學(xué)家栗弗席茲（Lifshitz）曾給出過證明。
1964年，英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯（Roger Penrose）利用拓?fù)鋵W(xué)的方法證明，無論有什么干擾，在坍縮黑洞的中心會不可避免地形成奇點(diǎn)，
1970年，霍金和彭羅斯證明了，在廣義相對論的框架下，我們的宇宙在大爆炸的開端也有一個時空奇點(diǎn)，如果有一天再發(fā)生坍縮，必然在大擠壓中再次形成奇點(diǎn)。這就是著名的奇性定理（singularity theorems）。
2、霍金輻射
在大家心目中，黑洞是那種只吃不吐的引力怪物。沒有任何東西能夠逃脫黑洞的束縛，包括光線。上面的認(rèn)識都是基于經(jīng)典的廣義相對論，當(dāng)考慮到量子場論效應(yīng)時，頭腦中的觀念就要發(fā)生改變了。
真空并不是完全的空，而是充滿了起伏不定的量子漲落，各種正、反虛粒子對不斷產(chǎn)生和湮滅。黑洞視界附近是一個危險的區(qū)域，通常那里潮汐力很強(qiáng)，會把“虛粒子對”拉開一定距離，當(dāng)“虛粒子對”得到足夠多的能量時，就會轉(zhuǎn)化為真實(shí)存在的實(shí)粒子，當(dāng)處于視界外的粒子飛走時，就帶走了黑洞的能量，也是帶走了黑洞的質(zhì)量。這樣，黑洞質(zhì)量就會逐漸變小，該過程又稱為“黑洞蒸發(fā)”。
另一個等價的圖景：一個虛粒子帶正能量、一個帶負(fù)能量，負(fù)能量的粒子更容易被黑洞吞噬，留下正能量的粒子逃離黑洞，從而帶走能量和質(zhì)量，黑洞因吞噬了負(fù)能量粒子而損失了能量和質(zhì)量。這也是霍金在《時間簡史》中描繪的圖景。
根據(jù)霍金輻射的計(jì)算公式，黑洞的溫度與質(zhì)量成反比，通常黑洞的溫度都是非常低的。太陽質(zhì)量的黑洞，溫度只有60納開，這樣的黑洞從宇宙背景輻射吸收的能量要大于因輻射損失的能量，因此永遠(yuǎn)不會蒸發(fā)掉。
理論上，月球質(zhì)量的黑洞，其溫度和宇宙背景輻射的溫度相當(dāng)，恰好能做到收支平衡。因此，可以想象，小質(zhì)量的黑洞溫度會更高。如果粒子對撞機(jī)能產(chǎn)生黑洞的話，那么會因霍金輻射而瞬間蒸發(fā)掉的，因此無需擔(dān)心那樣小的黑洞吞噬地球。
有理論推測，在宇宙大爆炸初期，會形成小質(zhì)量的原初黑洞（Primordial black holes），這些小黑洞溫度很高，壽命相對較短，會釋放出高能伽馬射線。如果能探測到這種伽馬射線，就能驗(yàn)證霍金輻射的存在。然而，到目前為止，還沒有得到令人信服的觀測證據(jù)，因此霍金也一直沒能獲得諾貝爾獎。
3、黑洞面積定理
1971年，霍金理論發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黑洞發(fā)生碰撞合并時，新形成黑洞的視界面積不能小于合并前黑洞視界面積之和。
2015年9月14日，物理學(xué)家首次探測到來自14億光年外兩顆黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波，兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽質(zhì)量和36顆太陽質(zhì)量，合并形成黑洞的質(zhì)量為62顆太陽質(zhì)量，損失的3顆太陽質(zhì)量以引力波的形式釋放到宇宙空間。
根據(jù)廣義相對論，黑洞的視界半徑與質(zhì)量成正比，因此黑洞的視界面積與質(zhì)量的平方成正比。簡單的計(jì)算就會發(fā)現(xiàn)，合并形成的黑洞的視界面積大于合并之前兩顆黑洞視界面積之和。后續(xù)的幾次黑洞合并事件，也都沒違反黑洞面積定理。該定理為黑洞合并產(chǎn)生引力波的效率設(shè)定了上限。
曾經(jīng)有人預(yù)測，霍金會因這項(xiàng)工作榮獲諾貝爾獎，但直到去世都沒能獲得這一殊榮。
4、無邊界宇宙模型
1981年，霍金在梵蒂岡召開的一次學(xué)術(shù)會上提出一個猜想：宇宙沒有邊界，也沒有開始和結(jié)束。1983年，他與吉姆·哈特爾（Jim Hartle）利用量子力學(xué)和廣義相對論嚴(yán)格論證了他的這個猜想。他們認(rèn)為，在宇宙大爆炸之前，時間是不存在的，談?wù)撚钪婧螘r開始沒有意義。宇宙大爆炸經(jīng)典模型中的“奇點(diǎn)”被像北極那樣的點(diǎn)代替。雖然人們抵達(dá)北極后再也無法繼續(xù)往北前進(jìn)，但那里并不存在真正的邊界。
1982年，霍金首次打算寫一本有關(guān)宇宙方面的科普讀物，有部分原因是為女兒掙一部分學(xué)費(fèi)，主要還是為了向大眾普及宇宙學(xué)方面的最新進(jìn)展。經(jīng)過幾年的努力，期間經(jīng)歷了很多曲折，1988年4月《時間簡史》首先在美國出版，首次印刷了4萬冊，很快就供不應(yīng)求，出版社趕緊加印，據(jù)說夏天還沒過完，在美國就賣出了50萬冊。當(dāng)年6月，開始在英國出版，幾天之內(nèi)，在倫敦被搶購一空，高居暢銷書排行榜首位。
在隨后的這些年，《時間簡史》被翻譯成不下40種文字，全球的累計(jì)銷量早已超過1000萬冊。
霍金曾說：“一本科學(xué)方面的書籍能和明星的回憶錄競爭，也許這樣人類才有希望。我很高興這本書能為一般大眾所接受，而不僅僅是學(xué)者。當(dāng)今時代，科學(xué)起了巨大的作用，所以我們每個人對于科學(xué)是什么都應(yīng)該有一些概念，這是非常重要的。”
除了《時間簡史》之外，霍金還寫了大量的科普書籍向公眾進(jìn)行科學(xué)宣傳。例如：《時空本性》、《果殼中的宇宙》以及《大設(shè)計(jì)》等等一些優(yōu)秀作品。
1、乘坐“零重力”公司的飛機(jī)體驗(yàn)失重
2007年4月26日，霍金搭乘“零重力”（Zero-G）公司的飛機(jī)在大西洋上空進(jìn)行了失重體驗(yàn)。
醫(yī)護(hù)人員將霍金扶到飛機(jī)的前排，讓他背靠一塊特殊的泡沫枕墊。然后，飛機(jī)上沖到萬米高空，再急速俯沖回距離地面七千米處，使霍金和其他乘客體驗(yàn)一次25秒的失重狀態(tài)?；艚疬@次探險，共完成了8次俯沖，累計(jì)3分20秒的失重狀態(tài)。
飛行前，霍金在接受記者采訪時說：“你可以想象，我非常興奮，在輪椅上呆了差不多四十年，現(xiàn)在能夠體驗(yàn)零重力飛行真是太好了。”
2014年霍金在與國際空間站宇航員對話時說：“2007年，我有幸搭乘“零重力”航班體驗(yàn)了失重飛行，對我來說那才是真正的自由。熟悉我的人都說從未看到過我如此燦爛的笑容，在那短暫的幾分鐘里，我是超人。像你們這樣能當(dāng)6個月的超人，我只能想象了。”
2、參與突破計(jì)劃
2015年7月20日（阿波羅登月紀(jì)念日），俄羅斯投資人尤里o米爾納（Yuri Milner）向公眾宣布“突破聆聽計(jì)劃”（Breakthrough Listen），旨在通過全球頂級的射電和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)外星人存在的信號。該計(jì)劃還有一封由著名科學(xué)家簽名的公開信，包括霍金?；艚鹫f“宇宙中，一定存在其他生命，現(xiàn)在是尋找答案的時候了，沒有比這更重要的事情。”
2016年4月12日，霍金親臨現(xiàn)場為“突破攝星”計(jì)劃站臺。
2016年4月12日，尤里·米爾納又宣布了“突破攝星計(jì)劃” （Breakthrough Starshot）?；艚鹩H臨現(xiàn)場為該計(jì)劃站臺助威。
該計(jì)劃設(shè)想在地面上建設(shè)激光陣列，然后利用激光產(chǎn)生的光壓推動極薄、極輕的光帆高速前進(jìn)，在200萬千米的距離上完成加速過程，并使光帆的速度達(dá)到光速的20%！以這樣的高速奔向最近的半人馬座阿爾法恒星系統(tǒng)（4.3光年）僅需20年。
尤里o米爾納在展示攝星計(jì)劃中的芯片模型。
光帆攜帶一個厘米大小的芯片，小小的芯片上面集成有核電池、微處理器、導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、以及高清相機(jī)等等，真可謂是“麻雀雖小，五臟俱全”，是一枚真正的探測器。為了節(jié)約加速能量，光帆和芯片的質(zhì)量限制在克量級。光帆和微芯片的組合體可以成群地運(yùn)行在地球軌道上，等待激光陣列的加速一個個奔向深空。
“突破攝星”計(jì)劃的光帆飛行器需要強(qiáng)勁的地面激光陣列供能
當(dāng)然，這個激進(jìn)的設(shè)想給當(dāng)前人類的科技水平提出了很大的挑戰(zhàn)！激光器的連續(xù)輸出功率要求為100吉瓦（1億千瓦），相當(dāng)于五個三峽水電站的輸出功率。這樣強(qiáng)大的激光對光帆來說簡直是噩夢，在承受極大光壓的同時，還要承受極高的溫度。抵達(dá)目標(biāo)后，微芯片探測器想要把信息發(fā)回4.3光年之遙的地球并接收難度極大，因?yàn)樾酒陌l(fā)射功率實(shí)在有限。
我們知道，霍金為人類的命運(yùn)操碎了心，他一直鼓勵像這種前瞻性的研究，鼓勵人類探索宇宙的嘗試。但愿該計(jì)劃進(jìn)展順利，讓我們這代人有機(jī)會目睹奇跡的發(fā)生吧。
1985年，霍金分別在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和北京師范大學(xué)做了科學(xué)演講。那次，他首次登上了長城，成為了他一生難忘的旅途記憶。
2002年，霍金再次到北京參加國際數(shù)學(xué)家大會，并再次登上長城。
2006年，霍金第三次到北京參加國際弦論大會，并在人民大會堂做了“宇宙的起源”為題公開演講。
2017年，霍金“現(xiàn)身”在北京舉辦的騰訊WE大會。由于他行動不便，騰訊專門派了一個團(tuán)隊(duì)前往劍橋大學(xué)，提前錄制了霍金的演講，在大會現(xiàn)場作為開場視頻與大家分享。
霍金去世后，他的愛女露西·霍金（Lucy Hawking）繼續(xù)延續(xù)父親的科普事業(yè)。2019年，露西·霍金出現(xiàn)在首屆“騰訊青少年科學(xué)小會”上，并做了《想象力是推動科學(xué)進(jìn)步的原動力》為主題的精彩演講，并給現(xiàn)場的熱愛科學(xué)的青少年們進(jìn)行了答疑解惑。
本文作者作為霍金的粉絲，最大的遺憾是沒有親自見過霍金一面。在“騰訊青少年科學(xué)小會”上，非常幸運(yùn)地與露西·霍金進(jìn)行了面對面交流，算是彌補(bǔ)了遺憾。
霍金的一生是與病魔抗?fàn)幍囊簧茄鐾强盏囊簧?。借?006年接受央視采訪時說過的一段話作為本文的結(jié)束：“雖然我的身體條件有限，但我的思想能夠自由探索宇宙，回到時間的起點(diǎn)和深入黑洞當(dāng)中，人類的探索精神無極限。”
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