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史蒂芬‧霍金 Stephen Hawking

       英國人,近代著名的理論物理學家、宇宙學家,被公認為愛因斯坦之後最傑出的物理學天才。他不只提出黑洞會因輻射能量、而逐漸蒸發的霍金輻射,也和數學家羅傑‧潘洛斯合作提出潘洛斯─霍金奇點定理,更結合廣義相對論及量子力學來解釋宇宙學現象,同時也致力於研究萬有理論(Theory of Everything)。儘管霍金在大學時代便已經患有運動神經細胞疾病(俗稱漸凍症),使得後來身體逐漸癱瘓,但他不被病痛所打倒,仍然在學術上努力鑽研並且取得成功。

       霍金大學時在牛津主修物理,後來到劍橋大學攻讀博士,並專攻宇宙學。在那個年代,已經知道宇宙在膨脹,而關於宇宙的狀態有兩個主流理論:大爆炸理論與穩恆態理論。大爆炸理論(The Big Bang)的初始概念由喬治‧勒梅特於1927年提出,他通過計算得到愛因斯坦方程式的一個解,並由此指出宇宙在膨脹,後來該理論由喬治‧蓋模所完善,認為宇宙最初是由一個點爆炸後,逐漸膨脹而演化至今的,因此預言了宇宙微波背景輻射的存在;穩恆態理論則由英國天文學家霍伊爾等人提出,認為宇宙在膨脹的同時,其空缺會由新的物質所填補,故無論從任何地方或任何時刻看宇宙,宇宙看起來都是不變的。諷刺的是,大爆炸理論這個詞彙還是由霍伊爾首先命名的。

       在之後的許多年,這兩個理論並存於科學界,但是隨著觀測技術的進步,越來越多的觀測證據表明大爆炸理論才是正確的。1965年,彭齊亞斯和威爾森測量到宇宙微波背景輻射,成為壓垮穩恆態理論的最後一根稻草,從此科學界確定,大爆炸是解釋宇宙起源和發展的最佳理論。

       大爆炸理論指出宇宙起源於一個點,也就是奇點,廣義相對論預言黑洞的中心也是一個奇點,在愛因斯坦方程式的各種解裡面,奇點似乎是無可避免的。1965年,英國數學家潘洛斯證明,任何質量夠大的天體,在引力塌縮後必然會形成奇點,不需要任何特殊的初始條件。霍金了解之後,把這個想法應用到宇宙學中,並且將時間反轉,由塌縮改為膨脹,則所有宇宙膨脹過程必定都始於一個奇點。1970年,潘洛斯和霍金共同發表論文證明,假如宇宙遵守廣義相對論,且宇宙中包含足夠多的物質,則它必定起始於大爆炸奇點。

       之後霍金開始研究黑洞,不只提出原初黑洞的概念、證明了決定黑洞性質的因素只有三個:質量、旋轉(角動量)、電荷,也闡明黑洞的事件視界表面積永遠不會減少。最初他認為,因為沒有任何物質能從黑洞中逃脫,所以黑洞的質量只會增加,不會減少;而黑洞的事件視界表面積取決於它的質量,所以表面積也只會增加,不會減少。

       事實上,除了研究黑洞之外,霍金也開始研究量子重力,希望能把量子力學和廣義相對論統合在一起,直到目前這還是科學界的一道難題。俄國物理學家澤爾多維奇等人利用不確定性原理推論出旋轉中的黑洞會發射出粒子,霍金對此很有興趣,便和基普‧索恩前往拜訪。會談之後,霍金有了新的想法,他利用數學仔細地計算,推導出一個驚人的結果。根據量子漲落,在宇宙空間當中,會不斷發生粒子成對產生(能量轉成質量)、成對消滅(質量轉成能量),因此在黑洞事件視界的邊界區域也會出現很多虛粒子對,每一對虛粒子由正能量粒子和負能量粒子組成。如果兩個粒子在湮滅之前,負能量粒子落入事件視界內部,則正能量粒子便可以逃離至無窮遠處,換句話說,粒子帶走了一部份的黑洞能量,看起來就好像是黑洞輻射出能量,因此黑洞的質量會逐漸減少,這就是黑洞輻射的機制。只是黑洞輻射率和質量成反比,且容易受到宇宙微波背景輻射的干擾,因此到目前為止,都還未觀測到這種被稱為霍金輻射的現象。

        1981年,霍金提出黑洞悖論,認為黑洞因為霍金輻射而消失之時,其攜帶的資訊也會一併消失,但這個違反了量子力學的基本原則,即「資訊守恆定律」,而這也引起了科學界多年的辯論。1982年,維蘭金和霍金共同提出宇宙創生理論,認為宇宙是由「無」中誕生,所謂「無」,是指時間、空間、物質、光等都不存在的一種狀態。

        除了科學研究之外,霍金也致力於發展科普教育,他曾撰寫過科普書籍及童書,例如:《時間簡史》、《胡桃裡的宇宙》、《大設計》、《勇闖宇宙三部曲》等,也出現在諸多影視作品當中,例如:《Red Dwarf》、《宅男行不行》等。霍金因為他的研究貢獻而獲得許多榮譽及獎章,可惜的是,因為他的理論還無法被證實,所以無法獲得諾貝爾獎。霍金也笑說,若能找到一個迷你黑洞來證實他的理論,他就能獲得諾貝爾獎了。

        2018年3月14日,霍金與世長辭,骨灰被安置在倫敦西敏寺,和牛頓、達爾文為鄰,上千人在教堂外送他最後一程。儘管他一生當中深受漸凍症所苦,但他始終樂觀看待,不因身體的障礙而受限。和愛因斯坦一樣,霍金的科學理論已經在科學史上立下一道重要的指標,為人類的發展帶來永恆的貢獻。

 

(史蒂芬‧霍金,Credit:NASA/Paul E. Alers, Public domain, via Wikimedia Commons)

 

(胡桃裡的宇宙英文版封面)