轮椅太小 宇宙刚好——纪念斯蒂芬霍金

　　关键词

　　霍金 成就

　　阅读提示

　　1.霍金研究了什么？

　　2.他有什么成就？

　　3.霍金对我们有什么影响？

　　用知识爱上学习，大家好，我是大于老师。

　　本周，你在各种媒体上可能看到了一个坏消息：著名物理学家斯蒂芬·威廉·霍金在3月14日去世，享年76岁。开头我们听到的就是他在ted演讲中说的几句话。也许你对这个名字还很陌生，也许你知道他患有一种很严重的疾病，也许你还知道他在物理学上做出的贡献。无论怎样我觉得他确实是一位值得我们纪念并记住的名字就像，我们教科书中的那些名字一样。所以我们今天就来说说霍金教授。

　　我知道第一次知道霍金，并不是从他那本非常著名的《时间简史》。而是另一本书叫做《霍金的宇宙》，那时候我可能是小学或者是初中。这本书现在已经再次出版了，但我印象很深刻的是那是一本黑白插图的书。那时候书的价格还是远远的超过我的零用钱的，所以我是在超市里卖书的货架前分了好几天看完的。这是我人生看的第一本科普书，通过那本书，我第一次知道了黑洞、奇点、宇宙大爆炸、虫洞。也第一次知道了居然有人在那种身体情况下还能工作，甚至我第一次看到霍金坐在轮椅上的时候还很奇怪他为什么是这个样子。到大学加入天文社团面试的时候我还在用这本书中的内容和当时的社团负责同学交流。高中时，我也看了《时间简史》，这本书现在还在我的书架上，还包了书皮。不过，说实话，我并没有看的太懂。

　　你家里可能也有这本书吧

　　在搜索霍金教授的贡献的时候我在网上找到了这样一段非常有意思的文字，解释了物理学的发展历程，也说到了霍金在物理学上的贡献，作者叫做蚕茧里的牛。

　　这段文字大意是这样的：物理学是这样发展：首先一个叫阿基米德的人开凿了一个山洞，可以住人，开创了人类通过物理学认识世界的开端。伽利略觉得山洞太简陋了，于是他挖了一个坑，想盖房子。就是说从伽利略开始现代物理学算是诞生了。牛顿承包了这个项目，带着开普勒，胡克，笛卡尔等一群人打下了地基。后面几百年，包括法拉第在内的一群物理学家盖了一座看起来漂亮而完美的房子。然后开尔文说房子盖完了，大家都去住吧，已经完美了，物理学家没事干了，这就是我们学习的经典物理学。不过这天怎么不晴啊，头上还有两片乌云？结果乌云的制造者麦克斯韦劈下两道闪电，房子塌了。这两个乌云就是会颠覆经典物理学的光的问题和黑体辐射问题。于是另一个项目负责人爱因斯坦出现了，他先带领洛伦兹等人，盖了一层楼叫“狭义相对论”，后来他没用别人，自己往上一个人盖了一整栋楼！就是广义相对论。这栋楼盖好了没装修，后面的科学家，什么史瓦西啊，霍金啊，都是在爱因斯坦这栋楼上搞装修的，霍金大概装了一面墙。与爱因斯坦同时代，普朗克，波尔，海森堡等人，包括爱因斯坦，他们又盖了另一栋楼，也就是量子力学，这座楼是这些人合力盖的，这栋楼现在看起来也非常厉害，而杨振宁，在这栋楼里打了一个电梯井，用物理模型贯通了这栋楼。威滕这些人就用弦理论在那里搭桥，不过目前看来只是一道彩虹桥，还不能走人。

　　霍金到底做了些什么呢？

　　首先他是一位理论物理学家。这种物理学不像是我们在上课时学到的各种物理知识。咱们平时学习物理学，经常会使用实验的方法，比如研究浮力就可以用不同的东西在各种液体中泡一泡，要是研究摩擦力就可以用不同的材料相互摩擦。而理论物理学是用各种的数学方法建立一个个的物理模型来解释我们的世界。比如爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论的研究就属于理论物理学。而广义相对论的引力波部分是到了2015年才被首次验证。有同学肯定会问：研究这东西有啥用呢？其实除了人类对于未知的好奇和探求的欲望之外，理论物理学解释的大多是我们生活的这个世界最基本的原理，而这些原理很多时候都是我们生活的基础，比如：我们熟知的导航系统就要依赖于相对论的知识，而核电站的建设要依赖于核物理的研究，还有在不远的将来就有可能实现的基于量子物理的量子通信和量子计算机等等。就像有一本很著名的科幻小说《三体》中说的：要想锁死一个文明，首先就要锁死这个文明的基础物理研究。而理论物理学很大程度上就是对于最基础、最本质的物理学的研究。所以这些理论物理学家就是在用我们一般人看不太懂的数学语言来帮助我们人类文明的进步。而霍金就是其中的一位佼佼者。

　　霍金曾经想用数学公式帮助英格兰队赢得世界杯

　　霍金研究的主要是宇宙学方面的科学知识。他的一大贡献是和英国数学家彭罗斯共同提出的“奇点定理”。第二个贡献则是他提出了被称为”霍金辐射“的概念。而这两个贡献都离不开一个东西，叫做黑洞。所谓黑洞就是科学家预测的在宇宙中存在的一种天体。这个天体的质量非常大，因此引力也非常大，大到连光都逃不出去。因此人们给它起了个形象的名字，叫做黑洞。黑洞的中心有一个点，叫做奇点。英文的原意就是奇怪的点的意思。为什么说它奇怪呢，就是因为这个点质量无限大，密度无限大，体积却是无限小。这个听起来非常科幻的东西，正是经过霍金和彭罗斯计算后发现是实实在在存在的。而且霍金从奇点这个现象和宇宙膨胀的现象反推，既然黑洞中可以存在这个奇点，而宇宙又是在不断的膨胀中的。那宇宙最开始的时候会不会也有这样的一个奇点呢？在前人的基础上霍金最终计算出了宇宙也是从这样一个奇点诞生的。而这就帮助科学家们完善了大名鼎鼎的“宇宙大爆炸”理论了。在这个程度上来说霍金帮助我们理解了宇宙是怎样诞生的。

　　大爆炸理论

　　除了位于黑洞中心的奇点，黑洞还有一个特征叫做视界，电视的视，界限的界。你可以把它想象成黑洞的边缘。任何物体只要进入到了视界的范围之内都会被黑洞所吸引，在没有什么力量能把它拉出来。也就说黑洞是一个只能进不能出的可怕的存在，这样的话黑洞的质量就会越来越大。但霍金在研究黑洞的过程中结合广义相对论和量子理论发现：这个一毛不拔，可以吞噬一切的黑洞中却还有一些能量是可以发散出来的。就像是一杯热水通过蒸发会越来越少，黑洞就会通过方式而减少质量，也会变小，只是这种变化非常的缓慢。而这个现象就是“黑洞辐射”，因为它是霍金提出的所以又叫做“霍金辐射”。而且这个现象是霍金的众多理论中最有可能被人们观察和验证的。就像是引力波最终被科学家观测到一样，也许在今后的某一天，我们就会听到这样的新闻：人类终于观测到了霍金辐射。霍金的理论是真实存在的。

　　霍金预言黑洞也在向外喷发东西

　　除了这两点。霍金还提出了一个新的宇宙模型：叫做无边界条件。在宇宙大爆炸理论中，宇宙来自于奇点的爆炸。但是这个奇点是怎么来的却成为了一个未解之谜。而霍金在80年代通过计算提出了宇宙的无边界条件。我们可以想象宇宙就像是一个气球，而我们所处的时间和空间都是气球上的一个点，宇宙的诞生就像是这个气球的北极点，随着时间的流逝，我们就在从北极向南极移动，在这个过程中，我们就会经历一个越来越大的空间再到越来越小的空间的过程。或者简单来说，宇宙就是无中生有就可以存在的，而这就可以不用再去考虑奇点是怎么来的这个问题。而这个理论在2012年被剑桥大学的物理学家陈中源所证明了。当然，这个理论依然只是一个脑洞很大的猜测。但是这种猜测包括霍金的其他理论都在帮助我们更加清楚的理解这个宇宙。也许这些理论和猜测中有的是正确的，有的是有错误的。但就像是我们平常上学的过程一样，正确的答案和错误的答案都在帮助我们更好的学会知识，让我们变成更有智慧的人。也许这也是在听节目的同学们可以从霍金的那些高大上的理路中可以获得的最有用的提示之一。

　　不一般的学霸

　　说回到霍金，不能不说的就是他的身体。他患有一种非常严重的疾病，学名叫做肌萎缩侧索硬化也叫运动神经元病。而我们更熟悉的另一个名字叫做渐冻症。之前风靡全球的冰桶挑战就是为了让公众关注这种病症。患有这种病的病人身体上绝大部分的肌肉都会逐渐萎缩，而我们的各种动作，说话、写字甚至吞咽和呼吸都需要对应的肌肉才能发挥作用。所以大家可以想象一下，得这种疾病的病人是有着我们常人难以想象的痛苦的。而我们刚刚所说到的霍金众多的科学成就包括他的科普书都是在他在患病的状态下完成的。

　　霍金大部分的生命都是在这样的轮椅上度过的

　　其实在患病之前霍金的生活和大多数人一样，唯一不太一样的可能就是他是一个学霸。1942年1月8日霍金出生于英国牛津。他的父亲是一位传染病学者，而他的母亲则是研究哲学、政治和经济学。家庭中良好的学习氛围自然而然的影响着霍金，他的成绩一直不错，到15岁时他第一次接触到了宇宙膨胀的理论，这让他觉得很不可思议，但也让他对物理学产生了兴趣。随着时间的推移，霍金在科学上的才能逐渐被挖掘出来。在1959年，17岁的霍金在牛津大学的入学考试中物理部分几乎得了满分。在大学中这个学霸不仅展示了他学习的才能，更展示出了他幽默外向活泼的一面，他参加了划艇俱乐部还成了一名舵手。大学中的霍金成绩并不是最优秀的，当时他希望自己能够研究宇宙学，而经历了一点波折之后他也如愿的在1962年开始了他在剑桥大学的学习和生活。但在第二年他就被诊断出了患有渐冻症，而霍金也因此变得很抑郁。幸运的是，他的病情没有像医生预言的那样发展迅速。在他的导师丹尼斯·夏玛的鼓励下，他拄着拐杖继续自己的学习和研究。

　　童年的霍金

　　患病初期的霍金

　　乐观的霍金曾经很喜欢“飙轮椅”

　　而在随后的日子里，在身体不断恶化的情况下，1968年霍金和彭罗斯提出和完善了奇点理论，而后又开始研究黑洞的问题。不过霍金的身体依然是每况愈下，很快他就不得不依靠轮椅生活，而他的语言能力也受到了病症的影响而逐渐下降。最后只有他的家人和密友才能听懂，而与外人沟通时必须依靠翻译。在1985年霍金因为患上肺炎进行了手术，而代价就是他完全丧失了语言的能力。霍金必须用特别方法传达信息，对方一手拿着一张字母卡，另一手一个字母一个字母地用食指指，当指到霍金想要的字母时，霍金会扬起眉毛，这样，可以慢慢地把整个单次拼出来。

　　霍金一开始用这种方式拼写（电影《万物理论》截图）

　　后来，一位电脑专家送给他一个称为“平等者”的程序，可以让他在屏幕上选择单字、单词或字母。这个程序安装了了一个语音合成器，来读出霍金拼写的单词。而再后来，霍金就拥有了一台转为他定制的轮椅。这台轮椅有着运动装置、维持霍金生命的设备、还有用于沟通的电脑设备。霍金可以用这台轮椅写演讲稿、收发电子邮件、甚至打电话。一开始，霍金用他仅能运动的三个手指来选择词汇表达意思，当然这很慢，每分钟只能输入15个单词左右。但后来，他连一个手指也动不了了，于是工程师们为他升级了轮椅，在上面安装了红外线发射器和检测肌肉活动的探测器。霍金说话时通过面部肌肉的收缩和舒张来激活辅助系统，并用眼球控制红外线发射器，选定在屏幕中轮流出现的英文字母。同时在软件方面，工程师根据霍金的语言习惯专门定制的输入软件，比如当他选择黑这个单词的时候，后面就会出现洞这个单词。这反而让霍金的表达更加快速了。可以说正是现代的计算机和人工智能技术帮助霍金延续了他的生命和科学研究。

　　用手指选择拼写

　　用脸颊写字

　　后来我们看到的照片，霍金的眼镜上总有一个东西就是在帮助它写字的

　　霍金的高科技轮椅

　　充满乐观的科学家

　　虽然因为霍金的研究成果还没有被实验或者观测严格证明，因此他也遗憾的没有获得过诺贝尔奖。但是他依然有着无数的荣誉，比如他担任过将近30年的剑桥大学卢卡斯数学教授，这是一个荣誉职位，牛顿就曾经担任过这个职位。同时霍金也是英国皇家学会成员，获得了爵士勋章。以及非常多的专业类的奖项。不过霍金能够被大众所熟知更多的是因为他的各种科普作品和乐观开朗的性格。除了各种学术专著，霍金还写了《时间简史》《果壳中的宇宙》《大设计》这样的科普书。也许你家的书架上就有这几本书。而他乐观开朗的性格使他还参加了很多电视、电影以及纪录片的拍摄，有些是他本人出镜，而有些则是使用了他的形象。甚至他还用自己的语音合成器出版过一首歌曲。正是这些让霍金被大众所熟知。

　　霍金参演《生活大爆炸》扮演了自己

　　而霍金也通过这样的方式让宇宙学中的各种晦涩难懂的高深知识能够被普通人所了解。我觉得这是他除了专业领域外最大的贡献。也许你也和我一样并不能太深刻的理解他所研究的那些领域。但我相信，奇点也好、黑洞也罢，这些似乎已经超越了我们想象的宇宙中的神奇存在，却可以在我们的生活中的某些时刻给我们灵光一闪的提示。而这些正是霍金留给我们普通人最珍贵的财富之一。在教科书中记载了这样一个故事：在一次演讲之后，一位记者问霍金：病魔已经将您永远的固定在了轮椅上，你不认为命运让你失去了太多吗？而霍金慢慢的在屏幕上打下了这样的字：我的手指还能活动,我的大脑还能思维;我有终身追求的理想,我有爱和爱我的亲人朋友;对了,我还有一颗感恩的心。

　　对于霍金来说：轮椅太小，宇宙刚好。

　　用知识爱上学习，仅以本期节目纪念这位聪明而乐观的科学家：史蒂芬霍金。我是大于老师，我们下期见。

　　霍金在TED上的演讲大家可以搜索：霍金求道 - 宇宙苍茫

　　还有一部讲霍金生活的片子：《万物理论》