这位传奇的物理学家为我们诠释了黑洞的运行原理，甚至是验证了宇宙的起源。
史蒂芬·霍金可能是当代最有名的天才了。
除了他面对导致他瘫痪的疾...
这位传奇的物理学家为我们诠释了黑洞的运行原理，甚至是验证了宇宙的起源。
史蒂芬·霍金可能是当代最有名的天才了。
除了他面对导致他瘫痪的疾病时坚韧不屈的态度，和那独特的复古机械发音，及在辛普森一家和星际迷航中友情出演外，他究竟是因何而闻名于世？
是他发现了黑洞吗？还是宇宙大爆炸？或告诉我们时间及其它事实的真理？不，全都不是。但要拨开迷雾并了解他的真正发现非常困难。霍金的伟大传奇光环掩盖了他真正的贡献。
今天，霍金举行了本年度的里斯讲座：这个任命标示了演讲者的地位，不仅是作为他的专业领域中的专家，而且是作为公共知识分子一员。所以趁此大好时机，我们抛开霍金头上的光环，来检验作为物理学家的霍金所作贡献。
一切事物起源于宇宙大爆炸（图片提供：Detlev van Ravenswaay/Science Photo Library）在几次针对20世纪最伟大的科学家，或甚至是现存的物理学家的民意调查中，霍金要不就是缺席，要不就是在名单的最末端处徘徊，那是否他与大众所称道的名不符其实？
事实恰恰相反，他是现代物理学中最有影响力的一员。只是有许多物理学家提出了很多惊人的想法，而霍金只是他们中的一员。
霍金的才能体现在把几种不同但同样重要的基础物理理论进行统一：重力、宇宙学、量子理论、热力学和信息论。他的成就本应得到一个诺贝尔奖项。
他的工作始于广义相对论：由阿尔伯特·爱因斯坦在1910年代构想出来的重力理论，以此代替艾萨克·牛顿的现有理论。
大型星体会扭曲周围的时空（图片提供：NASA/Science Photo Library）对于重力，牛顿的观点是大型星体产生了穿透空间的“力场”， 就像是磁场。这种力场让一个物体产生重量，例如地球，并对另外一个物体施加力量，像月球或苹果。牛顿没有表明他是否清楚的知道这种力场是什么。它只是一种自然的基本事实，所有带重量的物体都可能产生力场。
但根据爱因斯坦的广义相对论，重力不是空间里的力场，相反，它是空间本身的一种特性。
他的理论中，大型星体，例如太阳，可以使周围的空间弯曲，这种空间变形影响到周围事物的运动。例如，它让地球环绕太阳运动，就像是一个弹珠在碗口处转动。
其中爱因斯坦的相对论中有预言只要星体足够大，例如一个超大星体，在它失控过程中可能会因为其自身的重力而坍塌。所有的质量压缩到一个无限小密度无限大的点内，这个点被称为奇点。
这种坍塌制造了一个被重力严重扭曲的空间区域，即使是光也无法逃脱，我们称之为黑洞。
没有任何物质能逃离黑洞（图片提供：Henning Dalhoff/Science Photo Library）在1939年美国物理学家罗伯特·奥本海默（他此后制造了原子弹）和他的学生哈特兰德・辛德发表了上述理论。
但许多物理学家无法相信奇点这种奇怪的概念存在，所以当某些人提出假设，认为应该有其它途径干涉并阻止其产生后，因此多年来这种设想被忽视了。
1959年左右，当霍金开始他在牛津大学的本科学习时，物理学家们才开始重视这个设想。新泽西洲的普林斯顿大学约翰·惠勒（据说是他为黑洞起名）、英国的罗杰·彭罗斯和苏联的雅可夫·泽尔多维奇开始密切验证这种设想。
当霍金结束了物理学学士学位后，霍金开始他在剑桥大学的博士学位，而他的导师是当时的宇宙学家Denis Sciama。他完全被再次兴起的广义相对论及黑洞热潮所吸引。
年轻时的霍金（图片提供：Liam White/Alamy Stock Photo）这时开始，霍金卓越的天赋逐渐展现于世。那时他刚得到牛津的优等生荣耀，还有许多数学演算需要完成，他甚至被确诊为一种被称为肌萎缩性脊髓侧索硬化症的运动神经元病，可能会最终让他全身瘫痪。
在Sciama的指导下，霍金开始思考宇宙大爆炸理论：理论中阐述宇宙始于一个非常小的颗粒，随后开始扩张。现在这个理论已经被大众所接纳，但当时这种理论依然存在争议。
霍金意识到宇宙大爆炸更像是一个黑洞坍塌过程的反面。
他和彭罗斯一起研究这个理论，在1970年他们两个人发表了论文提出广义相对论意味着宇宙肯定是由奇点开始的。
这时，霍金的身体残疾已经非常严重，即使是使用拐杖行走也已经非常困难。在1970年末里的一个晚上，当艰难的爬上床后，他突然领悟到黑洞的理论，这个理论激发了一系列黑洞运行的发现。
黑洞形成于坍塌的恒星（图片提供：Henning Dalhoff/Science Photo Library）霍金发现，黑洞的大小只能增加，从不减少。
这个看起来像是很正常，因为没有任何东西在接近它后能逃脱的，黑洞可以吞噬更多的物质进而增加其质量。
黑洞的质量决定了它的大小，以它的视界半径为界，低于此界的任何物质都无法逃离。这个边界就像一个吹涨的汽球无情的向外扩张。
但霍金的研究更进一步。他展示了黑洞不会分裂成更小的黑洞，可以说，甚至是两个黑洞相撞时也一样。
然后霍金更是创造了另外一个飞跃。他论证了视界不断扩张的表面区域类似于另外一种量，根据物理定律，只能增加。
熵：物质更加杂乱（图片提供： Victor de Schwanberg/Science Photo Library）
这种量便是熵，可以用于测量系统中的无序量。晶体中的原子有规律的堆积在一起时熵值比较低，而当玻璃中的原子随机漂移时熵值则较高。
根据热力学第二定律，宇宙的熵总值只能增加，不能减少。换句话说，宇宙寿命增加时，无可避免的变得更无序。霍金指出，这两个自然定律——黑洞不断扩张的表面和宇宙不断增加的熵——神奇的一致。
1970年末当霍金发表这个理论时，一名年轻的物理学家雅各布·贝肯斯坦提出了更大胆的推测：或者这并不只是类似？贝肯斯坦提出意见说黑洞视界的表面可以作为黑洞熵的界限。
但这个想法似乎是错误的。如果一个物体有熵，它肯定会有温度。如果它有温度，那它肯定会辐射能量，但重点是黑洞中没有任何物质能逃脱。
因为这个原因，大部分物理学家——包括霍金——认为贝肯斯坦的提案不切实际。甚至贝肯斯坦自己也说黑洞的表面温度不可能是“真实的”，因为它引出了悖论。
但是，当霍金开始验证贝肯斯坦是错误时，他发现这个年轻的学生所说的，如他后面承认一样，是“基本是正确的”。为了展示这个结论，他需要把物理学的两种领域：广义相对论和量子力学进行统一，而此前完全没有人成功做到。
在量子力学下，物质变得很怪异（图片提供：Mark Garlick/Science Photo Library）量子力学一般用于解释看不见的小物质，例如原子和它的组成分子，而广义相对论则用于解释宇宙规模的物质，例如恒星和星系。
这两种理论看起来互不相容，广义相对论提出宇宙是光滑平整就像一张床单，而量子力学则坚持世界和所有事物在 最小的规模下都是粒状体，并结合成离散的团块。
物理学家们在数十年里竭力去统合这两种理论，结果表明这是一个“万用理论”，这个理论是现代物理学的圣杯。
在霍金早年工作中，他表现出对这种理论的极度向往，但在他对黑洞的分析中并没有假装提供这个理论。相反，他对黑洞进行的量子分析中使用了两种现存理论来进行互补。
粒子的出现及消失（图片提供：Equinox Graphics/Science Photo Library）根据量子理论原理，看起来是空无一物的太空其实一点也不空虚，因为太空在任何尺度下都不可能是平整和完全空白的，相反它十分活跃。
一对粒子一直持续不断的自动出现，一个是由物质组成，另外一个是由反物质组成。一个粒子带正能量，另外一个则带负能量，所以整体看来并没有产生新能量。这两个粒子会快速相互湮灭，很难被直接探测出来。因此，它们也被称为“虚拟粒子”。
霍金提出只要这些粒子组在黑洞边上产生，就可以从虚拟升级为真实的。
这里有个可能性，粒子的其中一方会被拉到视界里，只剩下它的小伙伴在外面漂游。这个被隔离的双子可能会被喷射到太空深处。如果负能量粒子被黑洞吸收了，那黑洞的能量总和则减少，而它的质量也同时减少。而另外一个粒子则带走了正能量。
最终结果，黑洞喷射出能量，即霍金辐射，并逐渐变小。换句话说，霍金证实了他自己的错误：黑洞是可以变小的。这等于说黑洞会慢慢蒸发掉，而且它并不是真的是黑色的。
另外，这种收缩不一定是平缓而稳定的过程。
黑洞应该喷射出“霍金辐射”（图片提供：Richard Kail/Science Photo Library）1971年，霍金构思了一个激进的黑洞新视角。在宇宙大爆炸时，他提道，有一些物质团坍塌成微型的黑洞，而每个团块可能重达几十亿吨，这听起来好像很多，但其实和地球相比不算什么，而形成的黑洞甚至可能比一个原子还小。
当黑洞的视界表面越来越小，它的温度不断升高，这么小的黑洞应该非常炽热：霍金描述它们是“白热”。它们会不断放射出霍金辐射，喷出质量最终消失不见。
它们不会就此沉寂。一个微型的黑洞在它变小时会变得更炽热，直到最后爆炸时释放出相当于百万吨级氢原子弹的能量。
1974年，霍金在自然杂志上刊登了霍金辐射理论和原始微型黑洞爆炸的理论。这是一个震憾而充满争议的想法。然而，现在大部分物理学家相信霍金辐射真的是由黑洞喷射出来的。至今依然没有人有方法去检测这股辐射，这并不值得惊讶：一个普通的黑洞，其温度才不过刚好过绝对零度，所以它所喷发的能量，例如霍金辐射是十分小的。
7年后，霍金又发表了另外一个十分让人不安的理论，他提道，消失的黑洞可以消毁信息。
掉进黑洞的信息是否真的会消失不见？（图片提供：Jean-Francois Podevin/Science Photo Library）当粒子或光线经过黑洞的视界时，他们不会再返回到宇宙。普遍认为这种物体应该带有信息，例如，粒子质量和位置的信息，也被黑洞锁定了。
但是，当黑洞蒸发后这些信息的下落呢？这里有两种可能性：信息就包含在黑洞喷射出来的霍金辐射中，或者和黑洞一起消失不见。霍金认为信息应该是消失了。
1981年霍金在旧金山演讲时提到黑洞物理中的信息消失悖论，美国物理学家伦纳德-索斯金德并不同意他的说法。他认为如果信息会消失在宇宙中，这种结论太不可思议。
我们喜欢想象在有结果前就应该有原因，此外再没有其它的方法了。原则上，虽然并不一定实际存在，这意味着我们可以根据粒子的现行状态来追溯和重塑它的整个履历。
但如果信息在黑洞中被摧毁了，那我们就不可能根据结果来重建原因。如果信息是真的消失了，整个原因和结果的概念开始变得不稳固。
所以当霍金提出黑洞会摧毁信息后，索斯金德反驳他的理论是完全错误的。
弦理论主要是解释物质（图片提供：Harald Ritsch/Science Photo Library）这场争论不断升温，持续了近数十年。1997年，它甚至变成霍金最喜欢的方式——赌注。霍金和加州理工学院的John Preskill的打赌信息在黑洞中的确是消失了，而John Preskill则打赌信息不会消失，赌注是一部百科全书。
2004年都柏林举行的会议上，霍金最终承认Preskill的想法是正确的，而Preskill也得到了他的百科全书。但由于其典型的顽固性格，霍金限定了他的条件，称信息虽然返回了宇宙，但因为信息已经被损毁无法再读取，而他也证实这个是真实的。
第二年，霍金发表了短论文来阐述他的论点。但这个论点没有得到大部分人的肯定。
这个过程是典型的霍金风格个性，他十分大胆及聪明，但也因为严谨度不足而导致说服力缺失，有时候会被某种直觉驱使，即使最终被请证实是错误的，特别是当他打赌希格斯粒子的实验检测结果时。
宇宙始于大爆炸（图片提供：Ravenswaay/Science Photo Library）霍金在黑洞研究时把广义相对论、量子力学、热力学和信息理论结合到一起的方法非常创新和出色，他所作出的其它成就也无法与之比肩。
在1980年代，他试图用量子力学的形式来解释大爆炸。和James Hartle合作，他研究出了一个简单的量子方程式，可能用来描述初期时的整个宇宙。但它在一般项上的作用，对于大多数科学家而言，并没有任何实际的意义。
但是，这个方程式提出了一种意见，说我们无法追溯宇宙的最终起源。
当宇宙还处于十分小的状态，大约小于1攸米的十亿分之一时，量子理论提示空间和时间的区别十分模糊。这意味着早期宇宙没有明确的时间和空间的界限，即使它已经独立自给了。而“起源”这个概念更是消失变成量子泡沫。
这个模型在霍金的最热销书籍《时间简史》（1988）一书中有说明，并确定了他作为全球名人的地位。这个概念仍然存在争议。
物质旋转被吸入黑洞中（图片提供：Mark Garlick/Science Photo Library）现在也有人认为霍金是白忙活，虽然还很有创造力，但有时候却是没有价值的。在职业生涯的末期，他很仔细的研究其他人提出的构想，他也有权利如此。
It is far less clear that he has earned the right to pronounce on artificial intelligence, genetic engineeringor alien civilizations, let alone to perpetuate the gender stereotypes of a 1960s undergraduate.
现在不太明确，他有权对人工智能、基因工程或外星文明上发表自己的意见，更不必说保持一个1960年代毕业生的性别刻板印象。（这段不太明白，求指教）
It is almost unfortunate that the iconic Hawking has so much eclipsed the physicist. Nowadays, nothing can be spoken in that trademark android monotone without immediately acquiring oracular status and being breathlessly reported.
很不幸，霍金的名人光环掩盖了他的物理学家本质。（这段不太明白，求指教）
这是霍金的励志故事的一个反面。甚至有人推测他肯定是拥有了不断涌现的智慧源泉。事实上，他也不过是一个易犯错的人，就像其他的人类，即使他们具有很高的智商。他的故事的确很振奋人心，但这并不意味着我们就要否定他的人性一面。
可能这是因为社会依然为残疾感到不自在。我们还是维持着奇怪的想法，认为坐在轮椅上的残疾人就应该是非常有智慧的。我们不应该感到惊讶，而事实上，比起史蒂芬·霍金，我们更多时候还是在讨论自己。（译者： cactusxj 原作者：Philip Ball）