紀念霍金前，你最好知道他幹了什麼

每當什麼重要的、對社會有貢獻的名人去世了之後，朋友圈總會呈現出一片哀鴻遍野，全在R.I.P.，給人的感覺就跟他（她）已經關注了這個人很久一樣

這讓我想起一段上大學時候一位教授的吐槽：在2006年的時候，香港科技大學的高等研究院(IAS) 開埠，請了霍金來作開幕致辭，當時可謂是人山人海，盛況空前，這個時候我的教授吐槽了，他說，坐在第一排起立熱烈鼓掌激動無比的，其實是各界跟物理毫無關係的社會名流，包括各種明星大腕，政商界人士，你們這些專業學物理的學生，坐在很後面，根本看不到霍金，然而這些專業不相關的明星們卻在第一排熱烈地鼓掌似乎關注了這個領域很久終於見到了祖師爺一般地激動，真是好有趣。

不論什麼領域，不論職業、國籍、人種、性別，基本是有點格調有點名聲的人走了，總要在朋友圈刷RIP，就好像前兩天紀梵希老爺子走了，儘管我之前根本不知道紀梵希的創始人是個老爺子，也根本不知道他是一個生活在當代的人，更沒有買過他們家的東西，所以他走了，聽了他的故事，覺得真是很了不起，但是說實話我也還是沒啥感覺，所以我也不會刷RIP。

名人走了之後必在朋友圈表示沉痛悼念，雖然我不知道這屬於什麼毛病，但是有一條應該是不會錯的，既然你表示對人家哀悼，至少應該知道人家是幹嘛的，具體貢獻在哪裡，就好比今天霍金大師去世了，你除了知道他身殘志堅，知道他對物理學的貢獻在哪裡嗎？知道他為什麼沒有拿諾貝爾獎嗎？知道他具體得的什麼病嗎？不知道這些你刷什麼RIP？做事做全套，刷了RIP，就來看看霍金到底幹了什麼吧，免得以後穿幫。

- 奇點理論 -

這算是霍金最早的比較主要的學術成果，是霍金的博士論文研究的內容。總得來說，就是通過對愛因斯坦的廣義相對論的深入研究，獲得了宇宙起源的一些的結論。所謂的奇點理論，這裡說的是真的廣義相對論里的奇點理論，不是人們熟知的那個什麼人類社會將會遭遇「singularity」的那個社會學理論。

真正的奇點理論的先行者是彭羅斯（Penrose)。在一套理論框架之下，出現的那些該理論會崩壞的點，就是奇點。最簡單的例子，一個函數:1/x，只要 x 不等於0，這個函數都是有定義的，不論 x 多接近0都沒有關係，這個函數的數值只是會大得沒有邊，但是就是不能等於 0 ，等於零的時候不是無窮大，而是沒有定義，這個函數在 x = 0 這個點「壞掉了」。廣義相對論當中也存在這樣的情況，比方有限的質量，被壓縮在體積趨近於0的空間當中，密度就會趨向於無限大，這就會產生一個奇點，一類黑洞就屬於這種情況，在黑洞裡面，現有的物理學定律會壞掉，不頂用。這是彭羅斯對於廣義相對論在奇點情況下作出的研究。

霍金的博士論文做的事情，就是把這種奇點的思想推廣到了全宇宙。霍金得出了一個結論，就是在宇宙大爆炸之初，整個宇宙應該就是這樣一個體積為 0 的奇點，密度無窮大。但是最後霍金似乎又推翻了自己的結論，因為他在做博士論文的時候沒有把量子力學考慮進去，根據量子力學的不確定性，在宇宙大爆炸之處，宇宙不可能是個奇點，因為在普朗克秒尺度下，廣義相對論是不頂用的，所以不能得出奇點的結論。

彭羅斯（Roger Penrose，1931 - ）

- 霍金輻射 -

霍金一生的研究幾乎都和黑洞有關，而且霍金關於黑洞的理論經常經歷一波三折，還經常能推翻自己。「霍金輻射」是霍金最重要的研究成果之一。

首先我們要明確，黑洞這個概念是來自於愛因斯坦的廣義相對論的推論，並不是我們能在天體觀測中實實在在觀測到的天體。總得來說，所謂的黑洞，就是引力大到光都沒有辦法逃脫這個星球的束縛的天體。既然光都跑不出來，更加跑不到我們眼睛當中，也無法跑到天文望遠鏡當中被我們看到，所以通過觀測的方式，是沒有辦法探測到黑洞的，因為黑洞從定義上，就不會給你任何能夠被探測到的信息，只能通過間接的天體現象，去推測黑洞的存在。比方說最近一段時間發現的「引力波」，推測是來自於兩個黑洞的合併，才在宇宙當中攪擾出了那麼大的動靜，才能被探測到，因為引力波實在太弱了，不是黑洞這種引力超級強的天體搞出來的動靜，人類的儀器根本探測不到。

傳統的黑洞的研究，也就是從愛因斯坦廣義相對論出發去研究黑洞，得出的結論是黑洞一旦形成，是一個只進不出，不斷從外界吸收物質並壯大的天體，但是到這裡，人們還一直沒有考慮到量子力學的影響。要知道廣義相對是研究大尺度時空規律的學說，到了小尺度，微觀尺度，不考慮量子力學是不行的。

1973年開始，霍金開始著眼於量子力學，在這之前，霍金與同事們對於黑洞的研究已經做出了所謂的「黑洞四定律」的成果，其中就有黑洞的「視界線」永遠不會縮小的結論，大致就是說黑洞只能越來越大，不會變小，但是後來霍金髮現這種想法還是太過「Naive」了。所謂的「視界線」可以被認為是黑洞的「准入門檻」，一旦進入視界線，就只能被黑洞吸進去，再也出不來了。

霍金輻射就是考慮了量子力學的效果之後得出的結論。霍金認為，在黑洞的視界線周圍，根據量子力學， 哪怕是沒有物質的真空，也會出現真負能量以及正負質量的正反粒子對，這樣的粒子對，負能量產生在視界線以內會被吸進去，這部分負能量會抵消黑洞內部的物質，而正的能量質量會被排出黑洞的視界線以外，這樣一來，總體的效果就是根據量子力學，術語叫「量子漲落」，黑洞的質量在不斷減小，或者術語叫「蒸發」（evaporation），被排出來的正粒子的總體效果就好像是黑洞輻射出來的一樣。

越小的黑洞蒸發的越快，大的黑洞反而蒸發得慢。原因是，體積是半徑的三次方增長，表面積是半徑的平方增長，也就是隨著黑洞越來越大，黑洞的增大的速度比黑洞蒸發的速度快，所以越大的黑洞蒸發的越慢，這裡看不懂沒事，elementary math。

還記得LHC，就是位於瑞士日內瓦的大型強子對撞機在開始試驗的時候，很多人反對，說是這樣強的能量等級以及能量密度，會大到足以製造一個黑洞然後把整個地球都吸進去，當時霍金就打賭說，如果真的有黑洞，那麼這個黑洞由於是微觀實驗造成的，所以體積很小，根據他的霍金輻射理論，這樣小的黑洞很快就蒸發掉了，不會對人類社會產生影響。

- 無邊界宇宙 -

1981年的時候，霍金在梵蒂岡參加了一個研討會，他提出了所謂的「無邊界宇宙」，大概的意思就是說，人們總是在問，在宇宙大爆炸之前是啥樣的，這個概念是不對的，因為時間在宇宙大爆炸發生之前，「時間」根本就不存在，所以不能用「之前」這個概念。霍金認為，宇宙沒有所謂的開頭和結尾，現在看好像如果我們沿著時間回溯，可以反推到宇宙大爆炸，宇宙從大爆炸誕生，之後加速膨脹，膨脹到一定程度之後宇宙會開始坍縮，這個時候，時間就會倒流，宇宙加速收縮，收縮到大爆炸時候的情況，然後再爆炸，如此循環反覆，這件事情就好像，你從地球上的北極出發，你不可能走到比北極更「北」的地方，因為不存在比北極更「北」的地方。但是你從北極出發，一直走，繞一圈最後還會回到北極。

霍金還跟一個叫 James Hartle 的美國物理學家，搞出來了一個叫「Hartle - Hawking」的模型來描述這個無邊界宇宙在宇宙大爆炸之初，普朗克秒時間內的狀態。

這一時期的霍金研究的東西，感覺已經在物理之上，討論的是更加形而上學的甚至更加哲學，甚至需要神學參與的領域了。「無邊界宇宙」的學說，似乎並沒有排斥上帝的存在，所以你看看，這研討會是在梵蒂岡開的，不知道是不是教皇請了一群物理學家來給上帝打call。

- 希格斯玻色子 -

希格斯玻色子（Higgs Boson），是由英國物理學家 Peter Higgs 在上個世紀六十年代提出的粒子物理的重要理論，也被稱為「上帝粒子」。這個理論，解釋了為什麼物質會有「質量」。粒子物理中，解釋萬事萬物成因的理論叫做標準模型，Standard Model，標準模型企圖把自然界的所有四種力進行統一，但是標準模型基本只能統一其中的三種，分別是電磁力（現實生活中除了引力之外的，比方我捶你一拳這種機械的力，其實都是電磁力），主管原子內部的，原子核里質子和中子之間作用力的「強力」，以及主管核裂變等核反應過程的「弱力」，第四種力就是萬有引力。萬有引力怎麼都統一不進去（弦論似乎可以做到這件事情）。

希格斯（Peter Higgs，1929 - ）

希格斯玻色子，或者說所謂的希格斯機制，是標準模型當中的最後一環，其中弱電統一理論和標準模型都已經在上世紀七十年代得過諾貝爾獎，但是希格斯粒子由於實驗條件的問題，所以一直沒有辦法驗證。LHC的建造，其中一項重要任務就是驗證希格斯粒子的存在。實驗之前，霍金曾經打賭說希格斯粒子找不到。可是最後希格斯粒子真的2012年被找到了，霍金立即表示自己錯了，並建議說希格斯應該獲得諾貝爾獎，幸虧希格斯命足夠長，2013年就獲得了諾獎，足足等了五十年！

- 為何霍金沒有拿諾貝爾獎？ -

霍金沒有拿諾貝爾獎的原因其實非常簡單，就是因為霍金做的這些研究都超出人類的實驗能力太多了，幾乎沒有辦法被實驗驗證，既然沒有辦法被驗證，當然是沒有辦法獲得諾貝爾獎的。

霍金研究的領域，總體來說是宇宙學，宇宙學就伴隨著對於宇宙天體的觀測和研究，到現在人類都沒有辦法飛出太陽系，更加不要說從實驗的角度去研究更加深層次的宇宙。楊振寧曾經說過現在人類在物理學理論上研究進展超過了人類實驗能力差不多300年時間，所以像霍金這樣走在理論研究最前沿的人，他的成果自然更加難以被驗證，他做了那麼多黑洞的研究，但是人類現在都沒有正兒八經地發現過黑洞，談何實驗驗證？

其實也正是缺乏實驗的驗證，所以在幾乎沒有太多實驗依據的情況下，霍金的理論更多的是一種先知預言性質的暢想，既然是暢想難免有疏漏，所以霍金也經常出現推翻或者修正自己之前理論的情況。

- 霍金為什麼偉大？-

為什麼霍金看上去要比很多已經得了諾貝爾獎的物理學家偉大和重要許多？我覺得有三個層面上意義。

第一，是學術層面上的意義，霍金研究的領域，如果是一個沒什麼名氣的普通的物理學教授想要去做這個方向的話，基本可以保證他是申請不到資金，估計連博士生也招不起，原因很簡單，這種研究是沒有什麼實際意義的，企業不會出錢，美國政府尤其川普上台以後，對於這樣沒有實際用處，也不能增強軍事實力的研究是不太支持的，當年柯林頓上台之後就把本來美國要造的大型對撞機給停了，而且登月完之後，也不搞更多的太空探索了，還得讓 Elon Musk 這樣的民間人士來弄。歐洲政府也差不多，領導人的心思主要在選舉，把錢花在這些沒有實用意義的地方，估計納稅人不樂意。

然而霍金這個方向，可以說還是人類追求絕對真理這個方向上的一盞明燈，一座燈塔，有這樣的世界級超級巨星般的科學家在從事這樣的領域，就代表人類對於絕對真理的追求沒有停步。

第二，是社會層面上的意義，老實說，絕大多數人對於霍金的認知，是因為他身殘志堅。雖然身體殘疾，但是沒有放棄對真理的追求，大多數人是被他不屈不撓的精神所鼓舞。而且霍金的暢銷科普書籍《時間簡史》，也算是為科普出了很大的力，在全球銷量據說破千萬冊，關於寫科普霍金是很實在的，他表示因為要養娃，所以不得不靠寫書賺取稿費。雖說《時間簡史》寫得具體怎樣，見仁見智，但是從啟發了一大批人對於物理的興趣這個層面上來說，功不可沒。霍金，加上之前的愛因斯坦以及費曼等人，他們讓物理學變得很「cool」，吸引了更多的人投身科學，從對社會的正能量，激勵以及影響了人們對於科學的興趣層面說，霍金以及霍金的故事都極其偉大。要不然明星們也不會坐在第一排激動地熱烈地鼓掌，as if 他們深諳霍金的科學成就一樣。

第三，是對真理探索層面的意義，其實現在的學術界，跟20世紀初的物理學全盛時期已經不一樣了，當時搞學術的人少，去搞學術的基本也是真的為了熱愛學術，現在不一樣，現在的學術界和工業界也差不多，大量去讀博士的人只是把讀博士當個工作，每年為了畢業、評職稱當教授的，湊字數的「垃圾論文」數不勝數，大部分這樣的論文，僅僅是在現有的理論框架之下，去做的一些小小的推廣和應用而已。這裡的關鍵詞是「理論框架」，真正大的科學上的進步，其實要的永遠是「打破既定框架」。最早，日心說否定地心說，之後牛頓建立了力學體系，萬有引力定律否定了天體運動是圓形，而是橢圓形進動，後來愛因斯坦相對論又推翻了牛頓的絕對時空觀，近一點的，楊振寧李政道的宇稱不守恆定律推翻的就是粒子物理之前覺得理所當然的宇稱在弱相互作用下的對稱性等。

偉大的理論無一不是在推翻舊有的框架，而霍金在做的就是這樣一件事情，在徹底的科學無人區持續探索，儘管這樣的探索很有可能永遠也不會給他更多的榮譽，但是其實你想想，在這樣的打破舊有理論框架的新學術面前，諾貝爾獎又算得了什麼呢？諾貝爾獎能概括相對論的重要性嗎？明顯不能。所以從這個意義上來講，霍金的重要性，不完全是物理學上的，他更像是一個先知或者預言家一樣的地位。

- 霍金的學說到底有什麼意義？-

由於霍金的理論目前都沒有辦法被驗證，而且有很多不夠清晰的地方，因為缺乏實驗數據的支持，不夠清晰，自己推翻自己也是很正常的事情。所以單看物理學上的成就，霍金的物理學成就目前還不能與以往的物理學大師，如牛頓、麥克斯韋、普朗克、海森堡、愛因斯坦等人比肩，可能幾百年後，實驗方法跟上了，霍金的理論被驗證了，那霍金應該可以進入物理學家的「名人堂」。

相比之下，楊振寧已經獲得的，被驗證的物理學上的成就其實就目前看要比霍金重要許多。大多數人只知道楊振寧獲得諾貝爾獎，可能知道一點楊振寧和李政道獲獎的「宇稱不守恆定律」，但是這不是楊振寧最重要的學術成就，楊振寧的「楊-密爾斯場」，才可以說是劃時代的學術成就。

之前說到的弱電統一理論和標準模型，把自然界中四種力當中的三種給統一了，其實用的就是楊振寧的「楊-密爾斯場」也叫「規範場」理論。

總得來說，霍金的理論，啟示意義更濃，但是是否能夠被歸類為偉大的物理學研究的成就，這個還需要時日去驗證。

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