《斯蒂芬·霍金的科学生涯》 - 精品书摘

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《斯蒂芬·霍金的科学生涯》

2002-08-14 18:51:45 来源：

　　曾因撰写《时间简史》而为中国人了解的、当代最伟大的物理学家斯蒂芬·霍金于16日莅临北京参加2002国际数学大会并将在北京国际会议中心为公众作首场科普报告。

　　霍金被人们称为当今的爱因斯坦，他在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论方面走出了重要的一步。他的著作《时间简史：从大爆炸到黑洞》发行了数百万册，解答了人类有史以来一直探索的问题——时间没有开端，空间没有边界。他以研究黑洞出发，探索了宇宙的起源和归宿。使世人震惊的是，霍金竟是个患严重肌肉萎缩的残疾人，他20多年来的所有这一切惊人成就都是在轮椅上作出的。

　　由迈克尔·怀特、约翰·格里宾著，上海译文出版社出版的《斯蒂芬·霍金的科学生涯》一书在霍金来华之际经过改版后再度上市，该书介绍了霍金的科学一生，他的家庭、他的教育、他的婚姻，特别是他战胜疾病探索科学真理的顽强精神。

　　下文即摘自该书。

　　1962年10月，文学士斯蒂芬·霍金刚从国外回来就到了剑桥，他离开了中东那片焦灼和荒芜的不毛之地回到了英吉利东部那片秋风细雨滋润的土地。在一个蒙蒙小雨的早晨，当霍金穿过草地和缓缓起伏的小山丘，走向他的新家时，在充满和平和宁静的这个英国唯一真正的“大学城”背后，也笼罩着一种阴影，事实上世界其他任何地方也正受到古巴危机的威胁。

　　似乎任何时候世界都会在核武器灾难中灭亡，现在人们处于相对平和开放的“冷战”后时代中，大家很难想象当时的那种不安全和不确定的气氛。这时霍金和其他人一样，面对自己无法控制的事实经历着失望。旧的偶像和旧的美好事物正在衰败；新的英雄将要诞生。玛丽莲·梦露在那年的8月自杀，约翰·肯尼迪在12个月之后被刺身亡，甲壳虫乐队在大众流行文化史上得到前所未有的巨大的国际性名声。

　　尽管存在即将毁灭的威胁，而剑桥的生活仍和往常一样。学生们开始住进他们新的家，在这座陌生的城市里落下了脚，而居民们则继续过着自剑桥建城以来他们已过了一千年的生活。在霍金准备去剑桥的时候，如同外部世界存在四分五裂的危机一样，斯蒂芬·霍金渐渐意识到他个人的危机。他在牛津的最后一段时间里开始感到自己系鞋带有了困难，走路老是撞在其他物体上，好几次他感到自己的腿不听使唤。有时尽管没有喝过酒，但他发现自己似乎喝醉了似的发音含糊，他不想向自己承认什么地方出了毛病，所以他没说什么，只是竭力继续生活。

　　当来到剑桥时另一个问题也产生了，他要申请攻读剑桥大学的博士学位，所以必须在两个研究领域中选择其一：基本粒子，研究微观世界；宇宙学，研究宏观世界。正如他自己所说：

　　我认为研究基本粒子对我的吸引力较小，因为尽管人们在发现许多新的粒子，但还没有适宜的基本粒子理论，像植物学研究一样他们所能做的只是将粒子分类。相反，在宇宙学方面，已有了一个明确的理论——爱因斯坦的广义相对论。

　　而且，还有一个意外难题。他之所以选择去剑桥大学上学不仅由于当时牛津没有宇宙学的研究，更重要的是他想师从弗雷德·霍伊尔这位有世界声誉的在此领域内最为杰出的科学家。但是，他没能师从霍伊尔，最后安排给他的是一位他未曾听说过的老师丹尼斯·夏马。有一阵子，他将这一变故看作是灾难，但后来他认识到有夏马作为导师要好得多，因为霍伊尔总是在世界各地旅行，很少有时间担负起导师的责任。不久他发现夏马是一个非常优秀的科学家，对他帮助和激励很大，并且随时都找得到夏马讨论问题。

　　霍金在剑桥的第一学期情况很糟。他发现自己在大学时没有好好学数学，以致现在没有足够高的水平，所以在做广义相对论的复杂计算时很快遇到了麻烦。他的学习态度仍有些懒散，而他的研究工作对他的要求越来越高，这使他在生活中第二次陷入困境。夏马回忆说，尽管他的学生极为聪明，并常常很有见识，能深入地与他展开讨论，但霍金存在的问题是要找一个合适的研究课题。

　　研究课题的选定必须有足够难度，以符合博士课程的要求，而相对论在那时还是相当新的和不一般的学科，要找到合适的课题并不容易。夏马认为，那时霍金有些迷失方向，样样都干不好，这种情形至少在他攻读博士学位的第一年中始终存在。此时在霍金身体内部已发生了一些变比，由此产生了一系列复杂的事情，于是以上的问题倒开始自行解决。

　　1962年年底当斯蒂芬·霍金回到圣奥尔本斯过圣诞节时，整个英格兰南部都被厚厚的积雪覆盖。他知道自己什么地方出了问题，他比以前更多地感到手脚不灵活，不过在剑桥还没有人察觉到。夏马回忆说，在那学期期初，我们注意到霍金说话有一点点结巴，但认为只是结巴而已并没什么关系。但是，当霍金到父母那儿后，由于他有几个月没回家了，他们立即注意到他有点不对劲。父亲马上得出结论，斯蒂芬一定是上一年夏天在中东时染上了什么奇怪的疾病———这是一位研究热带医学的医生从逻辑上得出的结论。不过，他们想得到确诊，所以带他到他们的家庭医生那儿去看病，那位医生嘱咐他转诊，向一位专家求诊。

　　除夕之夜，霍金一家在希尔赛德路14号举行了晚会。正如所期待的那样，这是一个文雅的场合，有雪利酒和葡萄酒招待；他们邀请了一些亲近的朋友，包括斯蒂芬的中学同学约翰·麦克莱纳汉和迈克尔·丘奇。这时已在传说斯蒂芬病了，但病情的实质并不知晓，人们一般认为他在外国的气候条件下染上了某种疾病。迈克尔·丘奇回忆说，斯蒂芬连倒酒也发生了困难，大部分酒都倒在桌布上而不是杯子里。大家没有说什么话，那天晚上有一种不祥之兆。

　　当时有一位名叫简·怀尔德的年轻姑娘也被邀请参加晚会，以前斯蒂芬对她不太了解，那天晚上他们俩共同的一位朋友正式把霍金介绍给了简。简也住在圣奥尔本斯并在当地上中学。随着1962年渐渐逝去和1963年的来临，他们两人开始交谈并开始有所了解。简正在上6年级并已被伦敦的威斯菲尔德学院录取，第二年秋天将去那里攻读现代语言学。简发现这位21岁的剑桥大学研究生的个性稍微有些古怪，但很有魅力，所以很快被他所吸引。她回忆说，她感到他有一种知识分子的傲慢，他好像“已丧失了什么，他还知道某种他自己无法控制的事情正在发生”。那天晚上他们之间萌发了友谊。

　　霍金该回剑桥了，1月下旬春季学期将开始，但他并没有在剑桥继续学业，而是被送到医院去做一系列检查，霍金对此还能清晰地回忆：

　　他们从我的手臂肌肉上取样，他们把电极插入我的身体，还将某种射线穿不透的液体注射进我的脊椎，然后把我躺着的床搞倾斜，用X射线跟踪注入的液体的上下流动。

　　一切结束后他们没有告诉我得了什生病，但肯定不是多发性硬化症，他们说我不是一个典型的病例。我猜想他们预期我的病情还会进一步恶化，他们无能为力，只给了些维生素片。我看得出他们没有指望这些维生素起什么作用，我也不想询问详情，因为这些医生太差劲了。

　　医生建议他回到剑桥继续研究宇宙学，但这说起来容易做起来难。学业进展并不顺利，随时可能死去的念头萦绕着他的一切思想和行动。他回到剑桥等待着检查结果。不久诊断他患上了肌萎缩性侧索硬化症，这种病非常罕见且不可治愈，在美国这种病称作卢·盖里革症，因美国北方佬棒球队的一个名为卢·盖里革的运动员死于此病而得名，在英国通常称为运动神经症。

　　硬化症会影响脊椎神经索和控制运动功能的那部分大脑。细胞经过一段时间后逐步衰退，当肌萎缩达到全身后就会引起瘫痪，不过大脑不会受影响，诸如思维和记忆这类高级功能不会受影响。身体会逐渐残废，但病人的思维将完好无损。通常这种疾病的预后是，身体会逐渐不能动弹从而导致逐步瘫痪，最后由于呼吸肌不起作用引起肺炎或窒息而死亡。此病的症状是没有痛楚，不过在疾病的最后阶段医生会用吗啡来缓解病人的慢性抑郁症。

　　具有戏剧性的是，斯蒂芬·霍金恰好是研究理论物理学的，干这份工作大脑是唯一真正需要的工具，这类工作实在不多。如果他是一位实验物理学家，那么他的职业生涯也就此结束。很自然，这点对一个21岁的年轻人来说谈不上是一种补偿，因为霍金像其他人一样，他期望的是过一个正常人的生活，而不是被一种神经性疾病判了死刑。医生说他还有两年时间。

　　刚一听到这个消息时，霍金陷入了深深的绝望之中。据舰队街的人士传说，霍金把自己关在黑暗的房间内，沉湎于酗酒，大听高音量的瓦格纳音乐，他自我怜悯，整天喝酒喝得迷迷糊糊。他和任何一个面临着任何个人悲剧的人一样，一直在想：“这种事怎么就发生在我身上？为什么我应该就这样死去呢？”

　　他在医院接受一系列检查时有一件事给他留下深刻的印象，回到剑桥后这件事使他摆脱了无限的恐惧，他说：

　　我在医院时，在我的病床对面有一位男孩，我并不认识他，后来他死于白血病。这一情景让人看了难受。很清楚有人的命运比我还糟，至少我的情况还没使我感到自己有病，当我为自己而难过时，我就想起了那个男孩。

　　当霍金从失望中摆脱出来回到学业上来以后，他的父亲决定访问丹尼斯·夏马一次，他将情况向夏马先生说明了，并问斯蒂芬是否可以在比3年更短的时间内获得博士学位，因为他的儿子也许活不了那么久。夏马也许比任何其他人都更了解他的学生的能力，但他告诉弗兰克·霍金，任何想要在少于3年的时间内完成学业的想法都是不可能的。夏马当时是否意识到那时的霍金需要通过学习来帮助渡过难关是另一回事；但他知道原则，他不顾他的学生将要死去这一事实，他们不能为他而改变原则。

　　大多数人都相信医学的预见是正确的，相信霍金活不长了。约翰·麦克莱纳汉清楚地记得，在他离开英国去美国工作一年的前夕，霍金的姐姐玛丽告诉他，如果他不在一年之内回来的活，也许就再也看不到他的朋友了。这种疾病一旦缠身，病情发展很快。在斯蒂芬出院后不久简再次见到了他，她发现他有些迷茫，也缺乏活下去的意志。

　　毫无疑问，简在这个时候出现是霍金生活的主要转折点。他们两人开始频繁见面，两人的关系也在发展。简使得霍金能克服自己的绝望，并重新树立生活和学习的信心。与此同时，霍金继续缓慢而艰难地攻读博士学位。

　　霍金不是唯一随夏马工作的学生。1961年夏马在开始任职时就接受了他的第一位学生——南非的乔治·埃利斯，一年以后霍金来了，再下一年又来了两个学生——布兰登·卡特和马丁·里斯，他们和埃利斯一起成为霍金终生的朋友和同事。他们又和其他一些人共同组成了一个相对论和宇宙学的研究小组，他们从事同一领域的研究，但研究范围略有不同。

　　在第一年，霍金和其他学生及导师一起在卡文迪许实验室的一个名叫凤凰翼的组里工作，这个实验室是在19世纪70年代由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦建立的。在本世纪60年代初期，物理系的系主任乔治·巴奇勒说服大学当局在西尔弗大街原来的大学出版社大楼建立了一个独立的数学和理论物理系，这就是现在的应用数学和理论物理系。

　　物理系的气氛很随便，博士生没有严格的时间表或者规定的课程，导师的任务就是提出一些问题或目标，和学生讨论攻关的计划，并在必要时给予指导。夏马回忆说，当他对霍金正在做的工作突然想到了一个新的主意时，他会冲进霍金的办公室，然后一起反复讨论出一个新方案。这种事情经常发生。

　　应用数学和理论物理系的所有博士生除了要听大学里开的课，还要参加定期的专题研讨会，在研讨会上30或40个人听一位导师或一位访问学者作报告。报告后是一般性的讨论。但是对话和交流的最重要的地方是在茶室。这种一天两次的茶室相会是在卡文迪许实验室兴起又传到西尔弗大街的，大家在上午11点去喝咖啡，下午4点去喝茶，在那儿交流他们最新的思想。学生们合用办公室，办公室的门几乎总是敞开的——从来没有人会秘密地搞研究或不公开自己的观点。就是在这种自由交流的氛围中，霍金在他读博士的初期就偶然地找到了他的第一个了不起的研究项目。

　　弗雷德·霍伊尔在剑桥大学的物理系很有威望，他的关于宇宙起源的理论广为人知。他是一位努力自我推销的科学家，很会和大众媒体打交道，时而也会发表一些未经查考和证实的理论。对此他的辩解很简单，他不是一个极端利己主义者，他也不是知识界的一个牛仔，但为了得到研究所需要的经费，他需要在公众中亮相，需要驰名世界，公关对于他是最重要的。

　　不过霍伊尔并不总是春风得意。他是约克郡纺织品商人的儿子，他在30年代以全额奖学金进入剑桥读书，由于他的背景和奇特的口音，他饱尝了社会对他的不公正。尽管他已证明了自己比大多数同学更智力超群，但他的饱尝社会不公平对待的经历使他变得冷酷，成为一个难对付的人。他在剑桥当教授的时候多次和大学当局及同事们进行过激烈的争吵。在搬迁至西尔弗大街后，霍伊尔在剑桥建立了自己的学院，但他还是大量借助于应用数学和理论物理系那些同事的头脑和帮助。

　　当剑桥关于宇宙的争论多得不可开交时，霍伊尔总是支持宇宙稳走论，他和伦敦皇家学院的数学家赫尔曼·邦迪、天文学家托马斯·戈尔德一起提出了这一理论，但是，当时这一理论只是两种争论的理论中较为科学的一种。他厌恶那种认为宇宙是自发产生的理论，曾经将自发产生的理论描述为一个从生日蛋糕中跳出来参加晚会的女孩——这显得有失尊严，也不典雅。后来多半出于兴之所至，他成了“大爆炸”这一术语的发明者，他发明这一术语是想以此讥笑那个理论，在一次广播节目中他正在讨论他自己的稳定理论时提出了这一术语。

　　在发展他的宇宙起源理论的同时，霍伊尔也是一个由挑选出来的学生组成的研究小组的导师，其中有一位小组成员是个研究生，名叫贾杨特·纳利卡。纳利卡被指定为霍伊尔的理论进行一些数学推导，以此作为他博士学位的研究材料的一部分。他的办公室恰好在霍金的隔壁，而霍金对纳利卡的方程式很感兴趣，没有过多的说服，纳利卡将自己正在研究的材料与霍金共享，于是霍金开始对这一理论作进一步探究。在以后的几个月内，霍金越来越多地在他自己的办公室和纳利卡的办公室之间来回奔波，一手拿着写满数学说明的纸，另一手沉重地斜靠在新近才得到的一根拐杖上。

　　不久，事情就见分晓了。霍伊尔决走在伦敦皇家学会召开的一次会议上公开宣布自己的发现成果。尽管这种事以前不是没有先例，但他的一些同事认为他这样做头脑过于发热，因为这些研究成果还没经过鉴定。霍伊尔对大约100个人发表讲话；结束时人们给予热烈的鼓掌，并像通常那样响起一片谈话声。然后霍伊尔问是否有什么问题。自然，霍金参加了会议，而且思路紧紧跟随着论题。他慢慢地站了起来，抓住了手杖，全会议室一片寂静。

　　“您讲的那个量是发散的，”他说。

　　听众中响起一片咕哝声，在场的科学家们马上看出如果霍金的观点是正确的话，那么霍伊尔最新提出的论点就是错误的。

　　“当然不发散，”霍伊尔回答说。

　　“发散的，”霍金不服地回答说。

　　霍伊尔停顿了一下，并看了看整个房间，听众是绝对地寂静，“何以见得？”他厉声问道。

　　“因为我论证过，”霍金慢慢地说道。

　　一阵尴尬的笑声在室内响起，这是霍伊尔最不愿意听到的，他对这个自命不凡的年轻人感到怒不可遏，两个人之间的交锋是短暂的——霍金已经证明自己在这个问题上是一个极其优秀的物理学家。但是霍伊尔认为霍金的行为是不道德的并向他表示了这种意思，可是霍金和其他人回敬说霍伊尔宣布未经验证的结论也是不合乎职业道德的。纳利卡夹在中间，毫无疑问只得承受霍伊尔怒气冲天的责备，实际上他是无辜的。

　　尽管霍伊尔的智力并不比霍金低，但在这件事情上年轻的霍金是绝对正确的：霍伊尔所谈到的那个量的确是发散的，这就意味着他的理论的最新部分是错的，霍金写了一篇论文总结了他的数学上的发现，此发现使他认识到霍伊尔所谈论的那个量是发散的。霍金的观点为他的同行们充分接受，大家认为他是一个极有前途的年轻研究人员。当霍金仍然在努力研究夏马指导下的博士课题时，他已经在宇宙学研究的那种精妙深奥的氛围中使自己出了名。

　　他在剑桥的头两年中，硬化症很快地恶化，他走路开始发生很大的困难，只有用手杖才能移动几步。他的朋友们尽可能地帮助他，但大多数时间他回避别人的帮助。他利用墙壁、手杖和其他物体在房间里和户外缓慢地移动。很多时候连借助墙壁、手杖等都不管用。有时候霍金因重重地摔倒在地而严重撞伤，所以夏马和同事们清楚地记得霍金好几次出现在办公室时头上缠着绷带。

　　由于疾病，他的说话也开始受到严重影响。说话再也不仅仅是含糊不清，很快别人都听不懂了，即使亲近的同事听他说话也有困难。但是，这并不能使他的研究减速，事实上他正开始走上轨道。工作进展得比他整个生涯中任何时候都更快、更有成效，这足以说明他对待疾病的态度。这似乎有些离奇，硬化症简直好像对他并没什么影响。当然，他像我们社会中所有的残疾人一样，不得不承受屈辱和不便，他只能适应这一现实，在特殊的条件下生活，但疾病并没有损害他生命的精髓，即他的思维，所以也就没有影响他的工作。

　　比任何其他人做得更好的是霍金本人，他竭力地淡化自己的残疾，并集中精力想在科学上做出成就，因为这对于他才是真正重要的。和霍金一起工作的人和世界上许多物理学家都给予他最高的评价，并不对他另眼相看。如果没有那台用手指尖操纵的计算机，霍金就不能说话，也不能移动，但这些都不是本质的东西，对别人来说他是朋友和同事，更重要的是一位伟大的科学家。

　　在忍受着硬化症的同时，他发现可以和简·怀尔德一起过一种纯粹个人的生活，于是内心开始萌发希望。一对情人订了婚，周未的约会也日益频繁。别人也看出他们是很幸福的，并且他们彼此对双方都很重要。简回忆说：“我想寻找自己生存的意义，我想在照料斯蒂芬这个含义上我找到了。但我们是相爱的。”在另一场合她说：“我决定了要做什么，并且做了。他也下定了决心，他是很有抱负的。现在他也仍然如此。在我们第一次相识时，他已发病，所以我从不知道有一个体格健全的斯蒂芬。”

　　对霍金来说，他和简的订婚也许是发生在他身上最重要的事：这改变了他的生活，给予他生活的追求，并使他决心活下去。没有简给予的帮助，他几乎肯定不能坚持以后的一切，或者没有坚持下去的意志。

　　从此以后，他的工作越来越取得成功，夏马开始相信也许霍金最终能将他的博士课题内容中的不同分支综合起来。

　　夏马的研究小组对一位年轻的应用数学家罗杰·彭罗斯的工作很感兴趣，那时彭罗斯在伦敦的伯克贝克学院，他是一位著名遗传学家的儿子，曾在伦敦大学上学，50年代早期来到剑桥。在美国从事一段时间研究后，在60年代早期他开始提出奇点理论，这一理论与当时产生于应用数学和理论物理系的理论相得益彰。

　　剑桥的研究小组开始参加伦敦大学国王学院的讲座，国王学院应用数学系的教授是一位大数学家，赫尔曼·邦迪，他是稳态理论的共同创始人。彭罗斯（穿过伦敦城区即可到达国王学院）、来自剑桥的学者、国王学院的一些物理学家和数学家经常出席会议，对于这些与会者而言，国王学院是一个合适的举行会议的地方。夏马带了卡特、埃利斯、里斯和霍金多次参加了会议，他的想法是，也许通过会议讨论他们会得到启发，把彭罗斯的理论应用于他们自己的工作。但是好几次霍金差一点到不了伦敦。

　　布兰顿·卡特回忆说，有一次他们到火车站晚了，这时火车已经进站，他们都拼命地跑着赶火车，忘了斯蒂芬，他拄着拐杖在挣扎着向前走。当他们进了车厢后才意识到霍金没和他们在一起，卡特看看窗外，看到一个可怜的身躯正沿着站台，在挣扎着赶过来，这时他感到斯蒂芬也许在火车开走前上不了车。他们知道霍金坚决反对给予他与众不同的照顾，所以平时他们的确不想过多地帮助他，但是在这一场合卡特和另一个人便跳出窗外帮助霍金沿着站台赶上火车。

　　如果霍金没能赶上其中一次伦敦会议，他的命运将会不同，因为正是通过这些会议他的整个生涯又有了另一个积极有益的转折。在国王学院的座谈中，罗杰·彭罗斯向他们介绍了在黑洞中央有时空奇点的观点，来自剑桥的研究人员听到这一观点后自然激动万分。　　

　　有一天晚上，在回剑桥的路上，他们一起坐在二等车厢内开始讨论那天会上所讲的内容。有一阵子霍金不想参与讨论，他凝视着窗外，看着外面黑暗之中的田野，车窗上反射出他的朋友们聚在一起的影子。他的同事们正在讨论彭罗斯理论中的一个微妙的数学问题。突然，霍金想到了一个念头，视线离开了车窗，面向坐在对面的夏马，他说：“如果将罗杰的奇点理论应用于整个宇宙，不知会发生什么情况？”就是这一念头使霍金保住了博士学位并使他走上了超级科学明星之路。

来源：中华读书报2002.8.14

本版责编：孟婉霞

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