【編者按】
2022年1月8日，是偉大的物理學(xué)家史蒂芬·霍金誕辰80周年。下文摘自最近出版的《史蒂芬·霍金：友誼與物理學(xué)的回憶》一書(shū)，為該書(shū)的前言。
《史蒂芬·霍金：友誼與物理學(xué)的回憶》的作者是美國(guó)物理學(xué)家列納德·蒙洛迪諾，他曾與霍金合作了《時(shí)間簡(jiǎn)史（普及版）》《大設(shè)計(jì)》。在20年的交往中，列納德·蒙洛迪諾與霍金建立了深厚的友誼。
列納德·蒙洛迪諾與霍金
我在圣瑪麗大教堂跟史蒂芬·霍金做最后的告別，這所教堂位于劍橋老城之中，已經(jīng)有500年的歷史。那是2018年3月。我坐的位置在過(guò)道邊，當(dāng)他的遺體從我身邊經(jīng)過(guò)的時(shí)候，我感覺(jué)似乎是最后一次同他攀談。然而，一具棺材將他與我以及其他哀悼者隔開(kāi)了。在他來(lái)到世上76年后，這具棺材最終也將他與物理世界的危險(xiǎn)和挑戰(zhàn)隔開(kāi)。
史蒂芬相信，人死后一切都會(huì)成為虛空。人類(lèi)建筑屋舍，創(chuàng)造理論，養(yǎng)育后代，與此同時(shí)，時(shí)間長(zhǎng)河的浪濤將這一切裹挾向前，但是人的肉體則被時(shí)間的長(zhǎng)河拋在后面。我個(gè)人也持這種觀點(diǎn)。然而，在棺材從我身邊經(jīng)過(guò)的剎那，我忽然覺(jué)得，棺木中的他仍然與我們?cè)谝黄稹＿@是一種奇異的感覺(jué)，讓我有些恐懼。理智告訴我，史蒂芬短暫的生命已經(jīng)終結(jié)，而我的生命，不久也會(huì)終結(jié)。物理學(xué)告訴我，有朝一日，不僅僅是我們所珍視的物品，而且包括我們意識(shí)到的一切存在之物，都會(huì)消失。我知道，即便是我們的地球、太陽(yáng)以及我們的銀河系，在宇宙中存在的時(shí)間都是有限的，在大限到來(lái)的時(shí)候，一切將歸于塵土。然而，想到永恒的未來(lái)，我還是在內(nèi)心向史蒂芬表達(dá)了我的愛(ài)以及美好的祝福。
我低頭看了一眼葬禮的安排表，上面印有史蒂芬的頭像，他一臉滿足的表情。我想到了他的力量所在，想到他對(duì)其他人表達(dá)肯定時(shí)露出的笑容，以及表達(dá)不贊同的時(shí)候做出的怪相。我想到了我們?cè)捕攘撕芏嗝篮玫臅r(shí)光，沉浸在我們都熱愛(ài)的事業(yè)中。我想到了當(dāng)我們談起一些特別出色的點(diǎn)子，或是我從他那里又學(xué)到了新東西時(shí)所體會(huì)到的滿足感；此外，我也想到了有時(shí)候我竭力想說(shuō)服他，而他絕不退縮，讓我無(wú)可奈何的情形。
史蒂芬雖然身體不便，但他善于攪動(dòng)物理學(xué)世界，善于向公眾介紹物理學(xué)知識(shí)，在這些方面他舉世聞名。但是，公眾可能意識(shí)不到，對(duì)于一個(gè)無(wú)法行動(dòng)，而且甚至無(wú)法說(shuō)話的人來(lái)說(shuō)，維系一段長(zhǎng)期的友誼，建立深厚的人際關(guān)系，以及尋找到自己所愛(ài)的人，有多么困難。史蒂芬知道，滋養(yǎng)他，并讓他保有對(duì)生命的熱愛(ài)的，不僅僅是他的物理學(xué)，也有人與人之間的關(guān)系和愛(ài)。而且在這方面，他也非常成功，超出了一般人的預(yù)料。
葬禮上有些親友的悼詞提到了一件不無(wú)諷刺的事：史蒂芬不相信上帝，但其葬禮卻是在教堂里舉行。在我看來(lái)，這完全說(shuō)得通，因?yàn)殡m然史蒂芬堅(jiān)信科學(xué)定律主宰著自然界的一切，他同時(shí)也是深深相信靈性的。他相信人類(lèi)具有靈性。他相信，每個(gè)人都有情感和道義上的靈性，這使得人與其他動(dòng)物區(qū)別開(kāi)，也使每個(gè)人和他人區(qū)別開(kāi)。一個(gè)人，如果相信人的靈魂并不是某種超自然的產(chǎn)物，而是大腦的產(chǎn)物，這么做并不會(huì)貶低其內(nèi)心的靈性。為什么會(huì)這樣呢？對(duì)于史蒂芬來(lái)說(shuō)，他其實(shí)既不會(huì)說(shuō)也不會(huì)動(dòng)，他只有他自己的靈魂。
史蒂芬喜歡說(shuō)：“我這個(gè)人最好的品質(zhì)就是倔?！睂?duì)此，我無(wú)法反駁。這份“倔勁兒”使他能義無(wú)反顧地研究他所研究的觀點(diǎn)，那些觀點(diǎn)當(dāng)初看起來(lái)沒(méi)有什么前途，而且很多人對(duì)之不屑一顧。這份倔強(qiáng)也使他的靈魂能在一個(gè)不自由的皮囊里自由地起舞。史蒂芬的壽命已經(jīng)超出了給他治療的幾乎所有醫(yī)生的預(yù)期，但是在2018年3月14日，這顆恒星還是燃盡了。
此刻，我們都來(lái)跟他說(shuō)再見(jiàn)。他的家人、朋友、護(hù)士以及同事都來(lái)了。他長(zhǎng)我13歲，很多人覺(jué)得他幾十年前就支撐不下去了，而且他經(jīng)常因肺部的致命感染而入院。但是在我心里，我一直都覺(jué)得他會(huì)活得比我更久。
霍金拼圖
我是在2003年他聯(lián)系我之后才認(rèn)識(shí)他的。他問(wèn)我能否考慮跟他合作撰寫(xiě)科普書(shū)。他讀過(guò)我寫(xiě)的幾本書(shū)，包括《歐幾里得之窗》，講的是彎曲空間，以及《費(fèi)曼的彩虹》，講的是我跟費(fèi)曼這位傳奇物理學(xué)家的私人交往。他說(shuō)他喜歡我的寫(xiě)作風(fēng)格，另外，他注意到我也是個(gè)物理學(xué)家，所以我能明白他研究的內(nèi)容，他特別看重這一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)我無(wú)比驚訝，感到受寵若驚。隨后的幾年中，我倆一起合作寫(xiě)了兩本書(shū)，而且成了好朋友。
我們合作的第一本書(shū)是《時(shí)間簡(jiǎn)史（普及版）》。那本書(shū)并不是從頭開(kāi)始寫(xiě)的，而是基于史蒂芬此前出版的科普名作《時(shí)間簡(jiǎn)史》進(jìn)行改寫(xiě)和更新。他之所以這么做，是想讓《時(shí)間簡(jiǎn)史》更易懂。加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家基普·索恩也是史蒂芬的密友，他曾跟我說(shuō)，一個(gè)人懂的物理學(xué)越多，就越是讀不懂《時(shí)間簡(jiǎn)史》。史蒂芬則從另一個(gè)方面表達(dá)了大約同樣的觀點(diǎn)。他說(shuō)：“這本書(shū)人人都買(mǎi)，讀完的卻屈指可數(shù)。”
后來(lái)，《時(shí)間簡(jiǎn)史（普及版）》在2005年出版，當(dāng)時(shí)我在加州理工學(xué)院任教。史蒂芬住在英國(guó)，但是他每年都來(lái)加州理工，一般一次住上2到4周的時(shí)間。借他學(xué)術(shù)訪問(wèn)的這些時(shí)間，外加電郵往來(lái)，就足以讓我倆完成該書(shū)的寫(xiě)作。這本書(shū)，以及《果殼中的宇宙》，還有其他幾本書(shū)的內(nèi)容，都是基于他在20世紀(jì)七八十年代所作的研究。但是在《時(shí)間簡(jiǎn)史（普及版）》出版之后，我們決定一起再寫(xiě)一本書(shū)，題目為《大設(shè)計(jì)》。這本書(shū)計(jì)劃談一談他最近一些年的研究成果。我倆計(jì)劃從頭開(kāi)始，介紹他還未跟公眾細(xì)說(shuō)過(guò)的一些新的理論，此外這本書(shū)還將涉及一些非常棘手的問(wèn)題，比如平行宇宙的理論，這一理論認(rèn)為宇宙可能是從虛無(wú)狀態(tài)中產(chǎn)生的，而且自然法則似乎恰好按照生命存在所必需的各種要求對(duì)宇宙進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整。很明顯，這次的寫(xiě)作跟《時(shí)間簡(jiǎn)史（普及版）》完全不同，是從零開(kāi)始，因此我們需要拿出很多時(shí)間面對(duì)面地工作，所以我定期從美國(guó)加州飛到英國(guó)劍橋，和史蒂芬一起寫(xiě)作，直到我們?cè)?010年最終完成此書(shū)。
《時(shí)間簡(jiǎn)史（普及版）》
史蒂芬職業(yè)生涯的大部分時(shí)間都用在完成愛(ài)因斯坦未竟的事業(yè)上。1905年，愛(ài)因斯坦提出了我們現(xiàn)在所說(shuō)的“狹義相對(duì)論”。當(dāng)時(shí)他25歲，一邊從事專利審核的日常工作，一邊業(yè)余從事物理研究。相對(duì)論揭示了自然界許多奇異的秘密：距離和時(shí)間的測(cè)量是相對(duì)的，取決于觀察者；物質(zhì)是能量的一種形式；沒(méi)有什么能比光移動(dòng)得更快，如此等等。但該理論有一個(gè)問(wèn)題：狹義相對(duì)論沒(méi)有直接解決引力問(wèn)題，但它規(guī)定了宇宙中速度的極限是光速，這與牛頓的理論相矛盾。在牛頓的理論中，力的傳播是瞬間實(shí)現(xiàn)的——也就是說(shuō)，是以無(wú)限快的速度傳播的。
愛(ài)因斯坦一直在研究這一對(duì)矛盾。是相對(duì)論必須做出改變？還是必須放棄牛頓的引力理論？事實(shí)證明，這兩方面都要進(jìn)行改變。他花了10年時(shí)間研究這個(gè)問(wèn)題，其間從專利局辭職，并陸續(xù)到伯爾尼、蘇黎世、布拉格和柏林的大學(xué)任教。
1915年，愛(ài)因斯坦完成了他的新理論，即“廣義相對(duì)論”。這是對(duì)狹義相對(duì)論的一次全面的修正。廣義相對(duì)論是狹義相對(duì)論的延伸，其中明確地考慮到了引力的影響。
廣義相對(duì)論與牛頓理論的諸多不同之處之一，是它糾正了牛頓理論的一個(gè)原則，即引力是瞬間傳播的。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力以類(lèi)似于光波的形式傳播，傳播的速度是光速，因此遵守狹義相對(duì)論的速度限制。具有諷刺意味的是，盡管當(dāng)初愛(ài)因斯坦建立廣義相對(duì)論的推動(dòng)力之一就是對(duì)引力的傳播做出令人滿意的描述，但引力波卻是他的這一理論最后被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的一個(gè)效應(yīng)。順便說(shuō)一下，由于對(duì)引力波實(shí)驗(yàn)的“決定性貢獻(xiàn)”，基普·索恩與他人分享了2017年的諾貝爾獎(jiǎng)。
為了解釋行星為什么會(huì)繞軌道運(yùn)行，以及物體為什么會(huì)下落，牛頓想象宇宙中存在一種力，他稱之為“引力”。引力作用于所有物質(zhì)，使其相互吸引，并導(dǎo)致物體的路徑偏離它們的“自然運(yùn)動(dòng)”方向，即沿著直線運(yùn)動(dòng)。愛(ài)因斯坦向我們表明，牛頓理論所描述的只是一個(gè)近似的圖景，其背后存在一個(gè)更深的真理，根據(jù)這個(gè)真理，引力現(xiàn)象可以用一種截然不同的方式來(lái)描述。
根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，物質(zhì)和能量并不是通過(guò)力的作用而產(chǎn)生吸引力。相反，它們只是導(dǎo)致空間彎曲；而空間的曲率反過(guò)來(lái)決定了物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)以及能量如何傳播。物質(zhì)作用于空間-時(shí)間，空間-時(shí)間也作用于物質(zhì)。正是這種相互作用使得廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)計(jì)算變得非常之難。為了建立這一理論，愛(ài)因斯坦必須學(xué)習(xí)和掌握一門(mén)在當(dāng)時(shí)還很模糊的數(shù)學(xué)，研究彎曲空間的非歐幾里得幾何。在他努力完善廣義相對(duì)論的10年時(shí)間里，愛(ài)因斯坦不得不反復(fù)進(jìn)行嘗試和試錯(cuò)，假設(shè)該理論可能具有的形式，計(jì)算他臨時(shí)理論的結(jié)果，并對(duì)自己的想法提出批評(píng)。
在通常的情景下，牛頓的理論提供了一個(gè)很好的近似結(jié)果，因此，過(guò)了好幾個(gè)世紀(jì)才有人注意到其存在缺點(diǎn)。但是在高速區(qū)域，或者物質(zhì)和能量高度集中的區(qū)域（因?yàn)檫@樣的區(qū)域引力很強(qiáng)），人們就不能使用牛頓的理論了。
如今，狹義相對(duì)論被應(yīng)用于物理學(xué)的許多領(lǐng)域，但是，只有在有限的情景下，我們才需要使用廣義相對(duì)論來(lái)解釋。其中最重要的兩個(gè)情景是關(guān)于黑洞和宇宙的起源。幾十年來(lái)，這些理論似乎都遙不可及，根本無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。人們認(rèn)為，早期的宇宙是極其遙遠(yuǎn)的過(guò)去，對(duì)其進(jìn)行研究很難做出成果，而且，就連愛(ài)因斯坦本人也不愿意接受黑洞理論，認(rèn)為它們只是數(shù)學(xué)計(jì)算所產(chǎn)生的奇特結(jié)果，不會(huì)是真的發(fā)生在自然界的現(xiàn)象。結(jié)果就是，在愛(ài)因斯坦1915年發(fā)表廣義相對(duì)論論文之后的半個(gè)世紀(jì)里，這些觀點(diǎn)基本上都無(wú)人問(wèn)津，廣義相對(duì)論被淹沒(méi)在科學(xué)的死水里。
不過(guò)，物理學(xué)家們普遍持有的想法沒(méi)有阻止史蒂芬。他的第一部著作實(shí)際上是一部與他人合著的專業(yè)書(shū)，題為《時(shí)空的大尺度結(jié)構(gòu)》（The Large Scale Structure of Space Time），主要是關(guān)于彎曲空間以及描述它的數(shù)學(xué)的。讀大學(xué)時(shí)，我讀過(guò)該書(shū)的大部分，感覺(jué)其內(nèi)容引人入勝，但是該書(shū)內(nèi)容較為艱深，需要細(xì)嚼慢咽。有時(shí)讀懂一頁(yè)書(shū)可能需要一個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間。
黑洞和早期宇宙這些內(nèi)容都令史蒂芬著迷，于是他把有關(guān)的物理學(xué)作為自己的主要研究領(lǐng)域。他早期的工作對(duì)其他一些研究者產(chǎn)生了巨大的影響，并引領(lǐng)了沉睡的廣義相對(duì)論的復(fù)興。他后來(lái)的發(fā)現(xiàn)涉及相對(duì)論和量子理論之間的相互作用，這些發(fā)現(xiàn)幫助創(chuàng)立了“量子引力”這一研究領(lǐng)域。
史蒂芬的一生都獻(xiàn)給了這些思想和現(xiàn)象。他證明，這些話題值得研究，并且他從未止步，一直致力于尋找新的發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)40年的思考和努力，到史蒂芬決定寫(xiě)《大設(shè)計(jì)》的時(shí)候，他相信自己終于找到了職業(yè)生涯開(kāi)始時(shí)所遇到的最棘手問(wèn)題的答案——宇宙是如何開(kāi)始的，為什么會(huì)有宇宙，為什么物理定律是這樣的？我們寫(xiě)《大設(shè)計(jì)》的目的，就是向公眾解釋他所給出的回答。
《大設(shè)計(jì)》
你如果準(zhǔn)備和某人合作，共同做一個(gè)你所熱愛(ài)的項(xiàng)目，你倆的思想必須相融相通。而且幸運(yùn)的話，你們的心也將變得相融相通。通過(guò)這場(chǎng)合作，我們成了朋友。一開(kāi)始，我倆只是個(gè)“智慧聯(lián)盟”，其后，這種共事關(guān)系變成了一種私人關(guān)系。我一開(kāi)始感到很驚訝，但又認(rèn)識(shí)到其實(shí)本不該為此感到驚訝，因?yàn)槭返俜也粌H在尋找宇宙的秘密，他還在尋找可以分享這些秘密的人。
史蒂芬小時(shí)候常被其他男孩欺負(fù)。他的一位高中同學(xué)說(shuō)：“他個(gè)子小小的，看起來(lái)像只猴子。”成年后，他被囚禁在一個(gè)失去正常機(jī)能的身體中。他以幽默對(duì)抗他人的霸凌，以內(nèi)心的力量對(duì)抗身體的殘障。凡是了解史蒂芬的人，都無(wú)法不被他強(qiáng)烈的個(gè)人品質(zhì)或他在科學(xué)上的慧眼所影響。本書(shū)接下來(lái)將分享我和史蒂芬一起工作的經(jīng)歷，以及了解他并成為朋友的經(jīng)歷。我希望能在書(shū)中闡明，是什么讓他成為一個(gè)如此特別的物理學(xué)家，以及如此特別的一個(gè)人。他到底是個(gè)什么樣的人？他是如何應(yīng)對(duì)疾病的？他的殘障之身是如何影響他的思維的？他對(duì)待生活的方式以及對(duì)待科學(xué)的方式，有何特異之處？是什么啟發(fā)了他，他的想法最初是如何產(chǎn)生的？他主要的科學(xué)成就是什么？這些成就在整個(gè)物理學(xué)中處于什么位置？理論物理學(xué)家到底在做什么？他們是怎么做的？以及他們?yōu)槭裁匆鲞@些研究？
隨著我和史蒂芬一起工作的時(shí)間日漸增長(zhǎng)，我對(duì)所有這些問(wèn)題都有了新的看法，這也包括那些我本來(lái)就有自己看法的問(wèn)題。我會(huì)在本書(shū)中回顧我們?cè)谝黄鸬臅r(shí)光，重溫他生活中的亮點(diǎn)，并跟大家分享我所學(xué)到的東西。
《史蒂芬·霍金：友誼與物理學(xué)的回憶》，【美】列納德·蒙洛迪諾/著 徐彬/譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2021年12月版
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