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霍金1942年出生於英國牛津,這天正好是伽利略的300年忌日,父親法蘭克是畢業於牛津大學的熱帶病專家,母親伊莎貝爾1930年代於牛津研究哲學、政治和經濟。
1942年1月,納粹德軍轟濫炸英格蘭,倫敦遭受幾乎夜夜不停的空襲。這迫使霍金一家搬離海格特的家園,遷到牛津避難。他們在霍金誕生後又回到了倫敦。童年時的霍金,學業成績並不突出,但喜歡設計極為複雜的玩具,據說他們曾做出一臺簡單的電腦。
1959年,17歲的霍金入讀牛津大學的大學學院攻讀自然科學,自稱用了很少時間而得到一等榮譽學位,隨後轉讀劍橋大學研究宇宙學,1963年被診斷患有肌肉萎縮症,即運動神經病,當時醫生診斷他只能活兩年,他雖然活下來,但在往後數十年逐漸全身癱瘓並失去了說話能力。
霍金曾澄清自己當時並無酗酒,只感到自己有「悲劇性格」,並使自己沉醉於華格納的音樂裡。直至他遇上了首任妻子簡·王爾德(Jane Wilde),兩人結婚後育有3名子女。23歲時,他取得了博士學位,留在劍橋大學進行研究工作。
[編輯] 霍金宇宙論
自1970年代,霍金先後與不同學者,提出多項學說,改變人類對宇宙誕生的看法。其中由他與另一名學者彭羅斯(Roger Penrose)合著的奇點定理,提出時間及宇宙是有起點和終點,肯定了同時代其他人開創的宇宙大爆炸學說,推翻古典物理學有關時空是永恆存在的學說;按照該項定理,他進一步提出具有革命意義的「宇宙無邊論」(No Boundary Proposal),該論說指出,在擴張中的宇宙外,並沒有任何人類認知的「空間」存在。
在黑洞研究上,他亦提出多重創見,認為黑洞並非完全漆黑一片,相反,黑洞會發出一種輻射(後來被稱為霍金輻射),這種輻射(能量)以極緩慢的速度離開黑洞後,亦即意味黑洞能量會耗盡,造成黑洞蒸發現象。
霍金當時並不相信這些學者的證明,於是聯同當時已研究奇點的彭羅斯發展一套數學公式,證明宇宙不能反彈。該學說認為,如果廣義相對論正確,宇宙起源將在存在一個奇點。當時,奇點一般被視作黑洞的中心,內裡有密度無限強、引力無限重、限時空曲率無限大,霍金當時設想,若重新走回宇宙誕生之時,全部物質聚成一點,這亦即為奇點。
1965年10月,人類發現一種散佈於空間的的微波背景輻射。這些能量極度微弱,能量值遠低於一臺微波爐,但科學家發現,要合理解釋這種輻射,宇宙早期必定非常熱,隨著宇宙膨脹,輻射持續冷卻,最終才會有出現微波背景。這一學說,進一步確認宇宙早期曾經出現大爆炸。
不過,霍金因應廣義相對論,雖然解釋了宇宙源自一個「奇點」,這些定理未能說明宇宙如何開始。霍金認為,這代表廣義相對論在「奇點」中失效,該理論只能預測宇宙如何演化,未能預言它如何起始,霍金於是試圖合併量子理論及廣義相對論,期望能解釋整個宇宙從誕生、以至演化的過程。
簡而言之,廣義相對論是處理極大的物理現象,而量子力學則處理極小尺度的結構。直至今日,科學家相信,若有人成功合併兩套理論,則有可能成為一套更具一般性的理論,解釋空間中任何物理現象,這亦即物理學界一直追求的所謂大一統理論。霍金至今仍未能發展出這套理論,但科學界一般認為他的研究,為人類邁向大一統理論踏出重要一步。
[編輯] 黑洞蒸發
1970 年中以前,科學家一直相信黑洞只會吸進物質,四周「漆黑」一片,當吸引更多物質時,黑洞的質量亦隨之上升,霍金另一創見是指出,黑洞不是真的很黑(Black Hole ain't so black),而且黑洞內存在溫度。有溫度的物質自然會釋放輻射,由於輻射是一種能量,黑洞最終因耗盡能量而消失,即所謂「黑洞蒸發論」。
霍金這次發現,拜量子力學所賜。過去科學家以為黑洞內的「真空狀態」,代表內裡沒有任何物質,但霍金約 1974~1976 年指出,如果量子力學正確,人類從極度微觀中觀看宇宙的「真空」時,會發現一對對的光子不斷產生,但能量在真空中無法保持固定值,令這些成相成對的光子不斷搖晃,最終消滅。他相信,當黑洞質量越少,釋放光子的速度越快,加速黑洞的消失。
這種從黑洞中釋出的能量,被稱為霍金輻射,但由於這種輻射極其微弱,科學界至今雖然公認它在理論上可行,仍未能從觀察中發現它的存在。這亦說明,即使霍金輻射是真實存在,但其能量過弱,意味黑洞要經過極長時間後,才能耗盡能量,造成蒸發。
[編輯] 黑洞是否存在?
窮一生精力研究黑洞的霍金,曾擔心黑洞可能理論上的概念,現實中根本不存在。他為免到時自己變得一無所有,1975年他與另一名物理學家索恩(Kip Thorne)開賭:究竟黑洞是否存在。
為了進行「對沖」,霍金押注黑洞不存在。如果他「不幸」贏了,霍金雖然一生心血被毀,但索恩要向他贈上專門踼爆英國皇室醜聞的《Private Eye》雜誌4年訂閱,如果霍金「幸運」輸了,他就要向索恩送贈色情雜誌《Penthouse》的一年贈閱。
霍金在《時間簡史》(1988年)曾說:「當我們1975年打賭時,我們80%肯定天鵝座X-1是黑洞,現在我會說有95%肯定,但這場賭局仍未有結果。」
信息會否在黑洞消失?
霍金在裸奇點的賭局輸了,但這位好賭成癮的物理學家即時要求再開賭。物理學家相信所有信息一經出現,雖然會改變成不同形態,但本質上會「永恆」存在。
霍金及索恩當時指出,任何物質掉進黑洞後將會消失,黑洞中產生的輻射是「全新製造」的,與掉進黑洞中的物質無關;這一項命題,違反了量子力學,若命題正確,量子力學或要重寫。裴士基反駁這項命題,雙方於是開賭。[6]
2004年,霍金出席研究會時,承認賭輸了,要向對方賠上棒球百科全書《Total Baseball: the Ultimate Baseball Encyclopedia》。勝出的裴士基親身在學術會議上,高舉這本著作,霍金在臺上只顧著笑。被問到為何挑選這套百科全書做戰利品時,裴士基事後說:「這本書重得像黑洞,亦要更長時間才可以趕走書中的資料,有如黑洞一樣。」