英国知名物理学家霍金离世，他为人类未来构思着无限可能性。＠世代邀请本地科普作者冯俊源为大家解惑，解说霍金的重要理论与贡献。


英国传奇物理学家霍金（Stephen Hawking）上周三（14日）逝世，举世哀悼。


要认识霍金，我们除了要了解他的身世，他的不良于行，他的爱情故事，他在流行文学里的形象，他的遗产问题等面向之外，最根本最重要的，还是得了解他对物理学的贡献。


科学可以艰涩深奥，但也可以通过深入浅出的方式启迪人心，这也是霍金1988年决心要写一本《时间简史》的初衷。


＠世代邀请本地科普作者冯俊源为大家解惑，解说霍金的重要理论与贡献。


冯俊源毕业于新加坡国立大学物理系，澳大利亚国立大学和国大双联硕士，主修科学传播。热爱科普、科幻写作，曾任职于国大和新加坡科学馆，现为国大科学图书馆员。


问：霍金在出版《时间简史》之前已是学界超级明星，他致力于宇宙理论，深入研究黑洞，提出许多理论。如果从一个普通人的角度来看，那些遥远的宇宙物理到底与我们有什么关系？为什么我们须要知道这些理论？


答：霍金在宇宙学上有很深的钻研，比如说他提出黑洞会像天体一样发出辐射，逐渐减少质量，并以爆炸为终。


这些遥远的宇宙理论，貌似十分遥远，和日常生活也没什么关系。宇宙物理最前端的研究，很大部分是在穷尽人类的智力和想象来解答未知的问题。举例来说，霍金辐射是量子理论和广义相对论两者交汇而产生的问题，而许许多多物理学家穷尽一生想要整合这两大理论，包括大家熟识的爱因斯坦。另一方面，从探索新理论的过程中，我们可能发现新的理论、新的实验、新的发明，来改善人类生活。


问：霍金辐射是什么？它如何改变学界对黑洞或宇宙起源的看法？


答：简单来说，霍金辐射是一种发生在黑洞边缘的现象。根据量子理论，在真空环境下，一对对正反粒子会在空间内产生和湮灭。通常来说，这个过程十分迅速。然而，如果这对粒子在黑洞的边缘（视界）产生，其中一个将被黑洞吸入，而另一个逃逸在外。在外界看来，好像是黑洞在释放粒子。这就叫做霍金辐射。由于能量守恒的缘故，向外逃逸的粒子从黑洞得到了能量，久而久之黑洞会越变越轻，越变越小，宛如是在蒸发一样。


霍金辐射是理论物理上的一大发现，它是量子理论和广义相对论的产物。这两大理论是在物理学的两大极端：量子理论探索物质极小、极轻、极短时间内的变化（电子的运行），而广义相对论却是探讨物质极大、极重、长时间的变化（星系的运动）。能把这两个理论放在一起讨论，霍金辐射对学界来说是一个很大的启发。


问：黑洞悖论又是什么？悖论是不是代表物理学家也找不出答案？


答：黑洞悖论是霍金辐射的一个延伸。当正反粒子对的其中一个掉入黑洞中，我们会失去有关那个粒子的资讯（包括它的量子态）。然而，量子力学的原理主张只要我们掌握粒子一开始的量子态，就能掌握过去和未来的状态。这表示量子状态的资讯总是得以保存。这就形成了一个悖论。


悖论代表物理学家目前找不出答案。悖论对科学来说，尤其理论物理是很重要的研究工具。它能让学者通过两个已经确认无误的理论中，发现新的发展和方向，甚至推翻旧的理论。著名的例子包括双子悖论等等。


问：粒子的资讯是什么？


答：粒子的资讯，在这里是说它的量子态。在量子力学里，每个粒子都能以一个数学函数来表示，比如说它的位置和动量。这些物理中可以观察并测量的数值，可以说是那个粒子所携带的资讯。


《时间简史》的科普贡献


问：《时间简史》非常畅销，这本书为什么重要？它改变了什么？


答：《时间简史》重要之处，在其科普贡献。写作之初，霍金决定以大众为读者，放弃了绝大部分的数学公式和演算，以简单易懂的语言来解释他的研究。另一方面，它的主题是人类的共同疑问：宇宙怎么诞生？时间是否有始有终？中国千字文有道：“天地玄黄，宇宙洪荒”，屈原的《天问》也问：“上下未形，何由考之？”，《时间简史》对于解答一部分人类的疑问是其受欢迎的原因。


问：能否谈谈霍金的宇宙大爆炸理论？


答：霍金的博士论文研究的是黑洞的奇点（引力无限大的点），他提出宇宙可能由一个奇点产生，这是宇宙大爆炸（big bang）的理论雏形。


很多物理理论并不是独自一人就能提出并完善的，需要科学家们互相合作、互通有无。霍金对于宇宙大爆炸理论的贡献是在他和同侪证明了宇宙的数学模型，其初始条件必须是一个奇点。奇点是在数学上无法定义的点，比如说1/x这个函数，在x=0的点上是没有意义的。这意味着整个浩瀚的宇宙，起源或许是一个小得不能再小的点。这就是宇宙大爆炸理论。


问：霍金提出的这些理论现在还适用吗？你认为一般人应该关注宇宙物理科学发展的哪个面向？


答：这些理论至今还很适用，也是物理学其中一个研究方向。比如说观察早期形成的星系和星云，能帮助我们更加了解宇宙形成的机制。


宇宙学其中一个比较热门的研究，就是重力波，也是2017年诺贝尔物理奖的得奖项目。重力波的观察和测量，提供了一个研究宇宙早期形成的工具。


对一般人来说，了解宇宙学研究的意义比较重要。撇开数学工具不谈，了解宇宙学能够训练我们想象力的幅度和广度，思考人类和地球和太阳系的未来。


问：能否给我们推荐一些科普作品？


答：一、加来道雄（Michio Kaku）《平行宇宙：穿越创世、高维空间和宇宙未來之旅》，本书讲述黑洞、虫洞、平行宇宙等等宇宙学课题。


二、奈尔·德葛拉司·泰森（Neil deGrasse Tyson）《宇宙大探索》。这是一部2014年的科学纪录片，共13集，涉猎的科学题材十分广泛，包括宇宙起源，演化论和气候变化。纪录片的电脑效果引人入胜，它也讲诉科学家的个人故事和挣扎，让观众体会科学家所经历的痛苦、误解和发现。