2018年3月14日，当代伟大的著名理论物理学家、宇宙学家斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking ）离世。回顾霍金的一生，不畏重疾、身残志坚是霍金的精神丰碑，他用勇气和坚持在轮椅上谱写了辉煌的篇章。
你所知道的霍金
霍金出生于1942年1月8日，那天是伽利略逝世300周年忌日；霍金逝世于2018年3月14日，这天是爱因斯坦诞辰139年。“身体残疾，思想却像光速飞行。”霍金离世后，著名科幻作家刘慈欣留下了这样的评价，这个评价也概括了霍金的一生。
霍金于战火纷飞中诞生于英国牛津，父母都是高级知识分子。父亲弗兰克·霍金毕业于牛津大学医学院，后来成为了热带病专家，母亲伊莎贝尔·霍金先后在牛津大学学习哲学、政治学、经济学。霍金从小的家庭氛围就是围绕着读书，家里的装修、家具都很简单，但到处都堆放着书。即使是在餐桌上吃饭的时候，也经常是爸爸、妈妈、霍金及两个妹妹每人手里捧着一本书，边读边吃饭。
霍金于1959年在牛津取得自然科学一级荣誉学士学位，20岁就前往剑桥大学研究宇宙学。不幸的是，21岁的霍金被诊断出患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症，即“渐冻人症”。2014年流行的“冰桶挑戰”，就是为了引起大家对“渐冻人症”的注意。当时医生断言霍金只剩下两年生命。他很快接受了这一现实，并看开一切，说：“在我21岁时，我的期望值变成了零，自那以后，一切都变成了额外津贴。”
随着病情发展，他的身体渐渐失去控制并严重变形，之后丧失了语言能力，仅3根手指可以活动，再慢慢甚至连眼球追踪技术都无法准确锁定他的目光，只能靠脸部一块肌肉活动。但即便这样，他仍坚持探寻科学真谛，不断在宇宙学、物理学上攀越高峰。在身体每况愈下的情势中，他都不曾懈怠，一直活跃在科研前线阵地。
1962年，霍金来到剑桥大学攻读博士学位，1979年-2009年任剑桥大学卢卡斯数学教授（剑桥历史上最为崇高的两大教席之一），从教授职位上退休后，又继续担任应用数学和物理系首席教授，直至逝世。
1982年，他获得了英国皇家大英帝国司令勋章，1989年获得英国皇家荣誉勋爵，2009年获得美国总统自由勋章，以及皇家学会的科普利奖章、阿尔伯特·爱因斯坦科学奖、皇家天文学会金奖、基础物理奖、BBVA基金会基础科学前沿奖，等等。还曾被授予英国皇家学会会员、罗马教皇科学院院士、美国科学院院士等称号。
他几十年间过着轮椅上的生活，足迹却遍布全球，三次来到中国，两次登上长城。在他学院书房的墙壁上，挂着一幅汉字书法作品“人去留影”。他只能借助语音合成器说话，几分钟才能讲出一个简单的句子，却写出了科普创作的丰碑——《时间简史》，被译成40余种文字，销往全球，点燃了几代人心中的科学火种。他于2001年完成的《果壳中的宇宙》，在2002年获得世界最知名科普图书奖之一的安万特科学图书奖。
你不知道的霍金
作为享誉全球的物理家，霍金可谓是个拥有多重职业和身份的人，丝毫没有因为疾病影响他做自己喜欢的事情。霍金有三大爱好：物理、打赌和唱歌。虽然他的赌运并不怎么样。他曾经同朋友赌了三次有关黑洞的赌局，霍金全都输了。他喜欢各种各样的音乐，流行、古典、摇滚、歌剧，等等。虽然因为疾病已不能发声，但在1994年与2014年，他利用电子发声器献声，和英国大神级迷幻摇滚乐团平克·弗洛伊德（Pink Floyd）合作录制了摇滚作品“Keep Talking”等。
他多次在电影、电视剧中客串他自己。在卡通片《辛普森一家》里，他以动画形象，坐着会飞的轮椅向男主角大谈黑洞、奇点、宇宙维度，并亲自配音；在电视剧《星际旅行》中，他同剧中的“牛顿”、“爱因斯坦”一起玩纸牌；在喜剧《生活大爆炸》中，他以客座教授的身份在谢尔顿所在的大学进行为期数周的授课。
总结得出了“F=ma”这个公式，更关键的是，他认为这个公式适用于世界上的所有物体，小到苹果和皮球，大到太阳和星系……在F=ma之上，牛顿用数学和各种公式设立了一整套物理体系，他把力、速度、加速度、能量、动量等各种概念都严格定义了出来，用数学方式找到了它们之间的关系。牛顿还通过大量实验，证明了任何两个物体之间都存在着吸引力，总结出万有引力定律。人们第一次发现，世界上的很多东西，用牛顿的这套理论可以被精确地计算出来。牛顿的这套理论，也被称为经典物理学。随着人们对这个世界了解的不断深入，科学家们发现，在很多领域，经典物理学解释不了他们发现的现象。出现偏差的部分，主要来自极大和极小的两端。一个最简单的例子是，在牛顿的体系里，如果加速度保持不变，那么物体的速度应该会达到无穷大，可在现实世界里，我们并没有能找到任何一个物体的速度能突破光速。为了解释这两端的现象，两个截然不同的科学体系出现了：那就是解释宏观（也就是极大）体系的爱因斯坦的相对论，以及解释微观（也就是极小）体系的普朗克的量子力学。
1910年，相对论横空出世。爱因斯坦用另外一种体系解释了宇宙。就拿地球为什么会绕着太阳公转举例。牛顿认为，在巨大的物体附近，存在着一种“力场”。这种力场就像磁场一样，对其中的其他物质有吸引力。正如同太阳吸引着地球，地球吸引着月球，甚至地球吸引着那个苹果。而爱因斯坦的相对论认为，引力本身就是时空的一部分，是时空的几何属性。当物体的质量大到一定程度，其附近的空间就会产生扭曲，从而改变周边一切物体的运动模式。比如地球绕着太阳转，卫星绕着地球转。
据此，科学家推断出了一个在当时看来近乎天方夜谭的观点：如果有一个质量极大的恒星，它自身产生的重力也无比巨大，最终恒星必定会因为不堪自身重负而坍缩成一个密度和曲率都无穷大、体积无穷小的点。在这个点的周边，会创造出一片引力极强、质量极大、连光都无法逃出的特殊区域。在时空的维度上，就像一个无比深凹的洞。科学界给定义了一个简单的名词：黑洞。而霍金的理论主要就解释了两大问题：黑洞的中心究竟是什么，以及在黑洞的边缘发生了什么。
1970年，霍金与罗杰·彭罗斯（Roger Peose）合作，用严谨数学推理证明：如果你能进入黑洞中心，就会发现里面关于黑洞的所有质量，都会汇聚到一个点上——奇点，一个体积无限小、弯曲无限大、密度无限大、引力无限大的一个点。之前，人们对奇点的形成有所争论，认为在形成奇点的过程中会发生其他事情。而霍金和彭罗斯一起从理论上证明了黑洞中心奇点的存在。这也是他学术生涯中第一个举足轻重的定理：奇点定理——黑洞的中心存在一个奇点。
那黑洞的边缘又会发生什么？最初的时候，霍金也跟主流科学界一样，认为黑洞是一个只吞不吐，永远吃进周围物质，质量不断增加的物体。然而经过思考和研究，他创立了一个理论：黑洞确实在放出黑体辐射，而且黑洞的质量，是在不断减少的。这一切，被称为“霍金辐射理论”。
为了解释自己的这个理论，霍金在学术界破天荒地用了相对论之外的另一套物理体系来解释自己的理论——量子力学。量子力学告诉我们，时空是分散的。在真空中，随时会凭空出现一对虚粒子对：一个正粒子和一个反粒子，一个携带正能量，一个携带负能量。这些虚粒子会凭空出现，存在极短的一段时间，然后又相互碰撞结合而湮灭。因为他们存在的时间极其短而无法被检测到，所以将他们称为虚粒子。
霍金把这个理论，用在了解释黑洞边缘上。霍金认为，如果刚好有一对虚粒子，产生在黑洞的这个边缘，由于黑洞的引力很强，有可能有一个跌入黑洞，而另一个没有。因为两个虚粒子一个有正质量，而一个有负质量，因此被吸入的是负质量的那个。
按照量子理论，这正反粒子应该是一出现，马上就会互相碰撞湮灭掉而达到能量守恒的，然而在这种情况下，一个粒子被吸入黑洞，另一个粒子没法跟它碰撞湮灭。一个虚粒子，变成了一个有正能量的实粒子。那这个能量是哪来的？
霍金的解释是，这个离开黑洞的粒子的质量，一定是从黑洞本身的质量而来的。黑洞吞噬了一个负能量的粒子，减少了自己的质量，而另一个含有能量的粒子离开了黑洞。这一切，在外面看来，就像黑洞在发射粒子一样。这些粒子是从黑洞边缘空虚的空间里变出来后逃逸出来的，但在逃逸过程中带走了黑洞的能量。
与此同时，坠入黑洞的粒子质量为负，在它们的作用下，黑洞变得越来越小，直至消失。这个过程叫做黑洞蒸发，当然，此过程非常漫长。由于体积不断变小，黑洞自己也有生命的终点。它最终会变成一个迷你黑洞，在黑洞生命最后阶段的时刻，这个迷你黑洞会爆炸，其威力相当于100万颗百万吨级的氢弹。在一场大爆炸中，黑洞的一切，灰飞烟灭。
我们现在所处的宇宙，曾经就是一个奇点，即所谓的宇宙大爆炸奇点。随着这个奇点爆炸，这才形成了星系、恒星、行星以及人类。世间万物，都由此而来，这就是宇宙的起源。
在宏观和微观的世界上，人们创立了两种不同的体系来解释不同的事物。多少年来，科学界一直想找出一种方法，能够统一相对论和量子力学。然而一直没有谁能完成，而霍金用相对论和量子力学来解释黑洞边缘，来解释黑洞质量减少的理论，却是在当时走出了这大一统的第一步。虽然人们无法观察到黑洞发出的霍金辐射，但是从霍金的研究出发，后来的科学家又有了很多惊人的发现。例如，黑洞的温度和熵。科学界至今虽然公认霍金辐射在理论上可行，但仍未能从观察中发现它的存在，这也就是为什么霍金的贡献非常伟大，但无法获得诺贝尔物理学奖的原因。
史蒂芬·霍金，或许不是当代最伟大的物理学家，但毋庸置疑是最有影响力的物理学家之一。他留给我们的，不仅仅是他的大爆炸、黑洞理论，还有他与病魔抗争的乐观，笑对生活的风趣，以及妙语连珠的睿智。我们不应该感到悲伤，应该笑着送别这个拥有智慧，更拥有趣味的科学家，他教会我们的，遠比宇宙更多。
（作者单位为美国旧金山州立大学物理与天文系）
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