3月14日,爱因斯坦诞辰,霍金忌日。
这一天的特殊巧合,是这两位传奇科学家相隔时空的再一次奇妙相遇。
而他们也曾在无意间,为彼此给出过有趣的互文——
宇宙基本准则之一:不存在所谓的“完美”。
如果没有“不完美”,我们将不复存在。
——霍金
1879年3月14日,阿尔伯特·爱因斯坦在德国乌尔姆出生。时间往前两百年,牛顿一手建起了物理学的地基,这位科学巨人推动了工业革命的齿轮,人类走向翻天覆地的工业时代。
这一天的两周后,是牛顿152周年的忌日,而26年后,这名婴儿将站在牛顿的肩膀上,重建被牛顿定律统治了两个世纪的时代。
1905年,爱因斯坦奇迹年,也是物理学的奇迹年。
这一年,籍籍无名的专利审查员爱因斯坦利用业余时间陆续发表了5篇论文。他首先论述了光的波粒二象性,论证了普朗克的光量子假说,为量子物理学奠定了基础。接着他提出了悬浮微小粒子统计的“布朗运动”,以及分子大小的新测定方法。
9月26日,在提出“光速不变”,以及“相对性原理”之后,爱因斯坦发表了质能守恒公式E= mc²,狭义相对论由此诞生。
狭义相对论重塑了我们的时间观——我们习以为常的时间,并不是以恒定的速度流逝的,而是会根据物体运动的方式变快或变慢,当物体运动速度接近光速,时间就会发生膨胀。
几乎是在提出狭义相对论的同时,爱因斯坦就发现狭义相对论的局限,狭义相对论只能够解释平直的时空,即四维时空。
想要相对论解释更高维度的宇宙,爱因斯坦尝试将引力描述为时空的几何结构,在狭义相对论中融入引力。
爱因斯坦认为:时间和空间是同一世界的不同维度,时间和三维空间结合起来,就形成了四维时空。而四维时空会发生扭曲,物质决定了它的扭曲方式,引力由此而产生。
1916年,爱因斯坦正式发表凝聚了十余年心血的广义相对论和引力场方程。
但在彼时一战的乌云面前,爱因斯坦的广义相对论并没有立即引起世界性的关注。直到1919年,英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿观测日食时发现水星近日点偏移,间接证明了光线会被引力扭曲。
宇宙给出的答案,让广义相对论和引力场方程轰动世界。
从此,人类握住了解码宇宙的关键钥匙。
但正如霍金所言,宇宙没有所谓的“完美”,爱因斯坦也不例外。
除了因相信“上帝不掷骰子”而抗拒被自己间接证明的量子物理学,爱因斯坦还曾否认过宇宙膨胀和黑洞理论的存在,而正是这两个“错误”理论,有力证明了广义相对论的客观重要性——
根据广义相对论的场方程,一位名叫卡尔·史瓦西的德国军官计算得出,如果将一个太阳大小的物体压缩到半径3公里左右,它会在时空中形成一个无限深的洞。这个洞中的一切,都和已知的物理定律不相合,时间会停止,空间则会无限延伸。
接着,比利时天文学家勒梅特根据引力场方程计算后,提出宇宙大爆炸理论,而美国天文学家哈勃通过天文观察,证明了宇宙膨胀,间接证明了该理论。
百年来,广义相对论经历了反复的检验,证明其近乎预言的正确。
而站在爱因斯坦的肩膀上,有人让我们看到了更深邃的宇宙。
“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”
——阿尔伯特·爱因斯坦
1942年1月8日,史蒂芬·威廉·霍金出生于英国牛津。时间往前三百年,奠定近代科学、一生仰望宇宙的伽利略在这一天长眠。
霍金的聪明让他从小备受关注,在中学时期被同学称为“小爱因斯坦”,剑桥的学习都让他倍感轻松,直到——
“在我21岁那年,我对生活的期望值全部归零。自此以后,生活中的一点一滴都成了恩赐。”
此后,霍金在跟死神抗争的余生中,不断丈量着宇宙的边界。
1965年,霍金在论文中论证了宇宙大爆炸理论。他的名字,也将与黑洞这一宇宙中最神秘的天体永远关联。
当一颗恒星度过了几百亿年的寿命,最终耗尽所有能量之后,引力会让它们坍缩成一个密度无穷大的点,它会吸收包括光在内的一切,让所有能量和物质都无法逃逸,这就是黑洞。科学家们曾认为黑洞是永恒的存在。
但在1974年,霍金提出:黑洞并非只能一味地从宇宙中索取能量与物质,它也会因为事件视界上的量子涨落向外辐射能量,终有一天黑洞会蒸发直至消失。这就是著名的霍金辐射和黑洞蒸发理论。
如果按照霍金所说,黑洞能够蒸发,能量和物质会彻底消失而不会留下任何痕迹,那么掌握所有信息的可能性就不复存在,这就是“黑洞信息悖论”,彻底动摇了量子物理学的根基。
“决定论”曾经是现代物理的核心理论——信息是不能被毁灭的,如果我们能够搜集所有粒子的所有信息,就能通过物理定律,还原和推断任何系统的完整未来和过去,包括一整个宇宙。
如果霍金是对的,“决定论”将丧失意义,那么我们此前对现代物理学的认知,也将随之毁灭。几十年来,量子理论的拥护者和相对论的拥护者之间,围绕着黑洞信息悖论争论不休,启发了无数理论猜想和研究方向,霍金本人也一直致力于研究黑洞数十年,不断突破自己的理论,提出新的问题。
霍金站在广义相对论的基础上,用他的学识和想象为我们描绘了无边界的宇宙和超乎常识的黑洞,也如同广义相对论一般,霍金理论的重要性也将随着时间的推移与日俱增,有望为相对论和量子力学的统一提供理论基础,解答困扰爱因斯坦人生后30年的疑惑。
霍金是对的吗?
“时间”和宇宙会给我们答案。
2018年3月14日,爱因斯坦的139周年诞辰之日,霍金于英国剑桥去世。
他们的一生都致力于为人类描绘整个宇宙,不断刷新我们对时间和宇宙的认知。
在他们到来之前和离开之后,宇宙呼吸如常,但人类看到的宇宙,从此永远不一样了。
宇宙的尽头是什么,时间的起点又是什么?
继承他们思想的我们何其有幸,能够沿着他们的思考走向更深邃的宇宙。