霍金 15岁的小霍金就接触到了所谓的宇宙膨胀的理论。在他看来,一个动态的宇宙是不可思议的事儿。他当时更相信所谓的稳恒态宇宙。当时有一位著名的科学家霍伊尔常在电视上给大家讲述各种各样的科普知识,小霍金非常崇拜这个霍伊尔,马上成了他的小粉丝。这个霍伊尔就秉持稳恒态宇宙的观点。他把当时伽莫夫等人提出的理论戏称为“大爆炸”,后来这个名字不胫而走,变得家喻户晓。“大爆炸宇宙学”由此得名。霍伊尔一不留神给对手做了个广告。
后来,霍金考进了牛津大学,在大学里他是个幽默的招人喜欢的学生。大家通常看到的霍金的形象都是歪在轮椅里,只有眼睛能动的残障人士。但是大家很难想象,学生时代的霍金是个运动的好手。课程对他来讲也太简单无聊了,不得不承认,学霸就是我们难以想象的状态。在校期间,他加入了牛津的赛艇队成为一名舵手。因为舵手不参与划桨,所以体重越轻越好。霍金瘦弱的身体恰好符合要求。
大学毕业以后他考上了剑桥的研究生。但是,年仅21岁的他就不得不告别了一切运动,因为他患上了一种病,俗称渐冻人症,最终全身上下都会不能动弹。医生告诉他,已经活不了两年了。但是霍金就是个生命的奇迹,他一直活到了76岁。他不仅是生命的奇迹,也是科学史上的奇迹。他全身不能动弹,一切都要靠脑子计算,看书都要助手拆成一页一页地摊在桌子上,可见他要付出多大的代价。就在这样的条件下,他做出了伟大的成就。
如果他只是在研究深奥难懂的广义相对论和宇宙学,或许他在圈子里很出名,但是绝不会让他变得家喻户晓。真正使他出名的,就是这本号称只有一个公式的《时间简史》。这本书向公众展现了霍金自己的研究成果以及20世纪物理学的伟大成就。原来在物理学家眼里,我们的宇宙如此不同。这本书可以说是科普畅销第一书,常年占据榜首位置。当然啦,霍金也因此改善了生活条件,毕竟残障人士的医疗保障和生活成本是很高的。
大家了解了霍金的个人经历和时代背景以后,笔者就一边给您介绍这本书里的内容,一边讲述20世纪的物理学是如何毁三观的,也讲讲霍金本人在宇宙学研究中的成就。
就在他身体每况愈下的时候,霍金刚好在剑桥大学读研究生,他本来是想成为儿时偶像霍伊尔的学生,无奈阴差阳错没有成功,他的导师是当时名不见经传的丹尼斯·夏玛。正是这个夏玛老师带出了一支广义相对论和宇宙的的研究团队,霍金在此认识了著名的数学家、物理学家彭罗斯。他开始真正关注有关宇宙学的内容,这些内容让他着迷。
《时间简史》的一开篇,霍金就讲述了一个故事,这个故事很有趣,一个科学家在向大家讲述日月星辰的运动,比如“地球绕着太阳转”等基本知识。这已经是现代人都知道的基本知识,也是老生常谈。但是现场有个老妇人站起来发表了自己的高见:“天文学家说的都是胡扯,我们的大地实际上是由一只巨大的乌龟驮着的。”天文学家追问:“那么这只乌龟又站立在什么地方呢?”“站在另一只乌龟的背上。”老太太脱口而出。老太太还真有数学头脑,她描述了一个无限递归的乌龟塔。
深究起来,这个故事来源于古印度,古印度人说,大地是四头大象在四个角支撑,大象站在乌龟背上。所以说,在古代,大家对于宇宙的认知往往是充满想象力的。但是,稍有逻辑思维的人都会知道,这样的描述是漏洞百出,不能自圆其说的。
第一个真正意义上的理论化系统化的宇宙学说,是托勒密的“地心说”,它不但体系完整,而且还能比较精确地进行计算。不过笔者想提醒大家注意,托勒密并非原创,他只是一个总结了前人的成果的集大成者。他写了一本叫《天文学大成》的书,描述了他的地心说体系,也称《至大论》。大家不要以为托勒密只是做了日月星辰围绕地球转的定性论断,人家的书里有极其复杂的数学公式,可以计算和预测天象,所以这个学说普遍被大家接受了。但是在1514年,也就是说这本天文学的大学教材整整使用了1500年之后,它遇到了挑战,哥白尼提出了一个更加简单的模型,叫作“日心说”。
哥白尼开启了对宇宙认知的革命,再后来就是到了1684年,牛顿出版了一本书,那就是《自然哲学之数学原理》。可以说这本书是划时代的巨著,开启了经典力学时代。牛顿告诉我们,天上地下遵循同样的规律。物理法则是具有全宇宙的普适性的。无论是月亮绕着地球转,还是人会感受到重力,都是因为背后相同的物理原理——万有引力。
写到这里,霍金话锋一转,他提出,按照万有引力定律,所有的天体都在相互吸引,那么天长日久,所有物质都该聚集在一起,而不是一颗颗的星星保持不动。按照牛顿定律,宇宙绝非永恒的。可是在当时没人相信宇宙不是永恒的,这个问题也只能摆在那里,回答不出来。
1823年,一个叫奥伯斯的天文学家提出了一个很大的问题。假如宇宙是无限大的,那么我们根本就不可能有夜晚,因为从地球上看去,每个方向上都分布着无限多的恒星,根本不可能有什么夜空。这叫“奥伯斯佯谬”。
总之,一直到20世纪之前,宇宙问题都是只能拍脑瓜想象罢了。四方上下曰“宇”,古往今来曰“宙”。空间、时间、永恒等话题都是哲学家们在扯来扯去,大家除了思辨以外,别无他法。你想计算都不知道该怎么算。
转折点出现在1915年,爱因斯坦提出了广义相对论。霍金的书里面详细描述了相对论的成功。霍金后来的主要工作都与相对论有关系。正因为有了广义相对论,才出现了现代意义上的宇宙学。我们终于可以用计算的方式来对宇宙进行了解了,爱因斯坦功不可没。要谈广义相对论,必然是从狭义开始讲起,这部分还算比较简单。但是笔者敢打个赌,从这里开始,已经有一大批读者要止步不前了。通俗地讲,就是看不懂了。毕竟要读懂这一部分内容需要太多的前置知识,很多读者没有必要的知识基础。狭义相对论描述的其实就是时间、空间、运动这三者之间的关系。霍金用了一整章来讲这个问题。麻烦在于一章的篇幅哪里能讲清楚呢?笔者也只能给大家尽量通俗地描述一下,希望能帮助你理解。