劉慈欣曾經(jīng)寫過一篇名為《朝聞道》的短篇小說，在小說的最后，斯蒂芬. 霍金代表人類問了最后一個問題：宇宙的目的是什么?
劉慈欣曾經(jīng)寫過一篇名為《朝聞道》的短篇小說，《朝聞道》講述的是這樣一個故事，人類建造了最大的粒子加速器，名字叫做愛因斯坦赤道，當(dāng)愛因斯坦赤道即將啟動去探尋宇宙大統(tǒng)一模型的時刻，一個自稱為宇宙排險者高級文明出現(xiàn)了，并把愛因斯坦赤道蒸發(fā)了。高級文明代言人告訴科學(xué)家們，大統(tǒng)一模型的證明會帶來宇宙的毀滅。因為知識密封準(zhǔn)則，他們無法告訴人類大統(tǒng)一模型的真相。于是人類科學(xué)家們便想出了一個“兩全其美” 的辦法，讓高級文明把宇宙的終極奧秘告訴自己，代價是獲得知識之后的科學(xué)家個體的毀滅。排險者答應(yīng)了，并且在戈壁灘上制造了一個 “真理祭壇”，科學(xué)家們在上面得到自己要知道的真理，然后就被毀滅。
在小說的最后，斯蒂芬·霍金代表人類問了最后一個問題：
最后一個上真理祭壇的人是斯蒂芬 · 霍金，他的電動輪椅沿著長長的坡道慢慢向上移動，像一只在樹枝上爬行的昆蟲。他那仿佛已抽去骨胳的綿軟的身軀癱陷在輪椅中，像一支在高溫中變軟且即將熔化的蠟燭。
輪椅終于開上了祭壇，在空曠的圓面上開到了排險者面前。這時，太陽落下了一段時間，暗藍(lán)色的天空中有零星的星星出現(xiàn)，祭壇周圍的沙漠和草地模糊了。
“博士，您的問題?” 排險者問，對霍金，他似乎并沒有表示出比對其他人更多的尊重，他面帶著毫無特點(diǎn)的微笑，聽著博士輪椅上的擴(kuò)音器中發(fā)出的呆板的電子聲音：“宇宙的目的是什么?” 天空中沒有答案出現(xiàn)，排險者臉上的微笑消失了，他的雙眼中掠過了一絲不易覺察的恐慌。
“先生?”霍金問。
仍是沉默，天空仍是一片空曠，在地球的幾縷薄云后面，宇宙的群星正在涌現(xiàn)。
“先生?”霍金又問。
“博士，出口在您后面?！迸烹U者說。
“這是答案嗎?”
排險者搖搖頭：“我是說您可以回去了?！?/p>
“你不知道?”
排險者點(diǎn)點(diǎn)頭說：“我不知道?！边@時，他的面容第一次不僅是一個人類符號，一陣的悲哀的黑云涌上這張臉，這悲哀表現(xiàn)得那樣生動和富有個性，這時誰也不懷疑他是一個人，而且是一個最平常因而最不平常的普通人。
“我怎么知道?！迸烹U者喃喃地說。
斯蒂芬 · 威廉 · 霍金(英語：Stephen William Hawking，1942 年 1 月 8 日-)，英國劍橋大學(xué)著名物理學(xué)家，被譽(yù)為繼愛因斯坦之后最杰出的理論物理學(xué)家之一。肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥患者，全身癱瘓，不能發(fā)音。 1979 至 2009 年任盧卡斯數(shù)學(xué)教授，是英國最崇高的教授職位?；艚鹗钱?dāng)代最重要的廣義相對論和宇宙論家，是當(dāng)今享有國際盛譽(yù)的偉人之一，被稱為在世的最偉大的科學(xué)家之一，還被稱為 “宇宙之王”。他唯一能動的地方只有兩只眼睛和 3 根手指，其他地方根本不能動。
不過，在今天，有很多所謂的精英分子對于世俗民眾對霍金的推崇不屑一顧，不少人認(rèn)為對于霍金的推崇是言過其實，這些人認(rèn)為，讓霍金出名的并不是他的學(xué)術(shù)成就，而是他的病。在知乎上搜索一下霍金，有不少類似的問題和答案，而且贊同數(shù)都挺高。
無論是精英分子還是世俗大眾，要去對霍金的學(xué)術(shù)成就進(jìn)行評價，都無疑是癡人說夢。我們知道霍金被大家所津津樂道的還有他輸?shù)舻娜未蛸€。但同樣的，大多數(shù)人對于霍金三次打賭所代表的含義一無所知。
在東野圭吾《嫌疑人 X 的獻(xiàn)身》中有一段經(jīng)典的對話，發(fā)生在數(shù)學(xué)家石神和物理學(xué)家湯川之間：
“很有意思。” 石神說，“之前你問過我一個問題：設(shè)計別人解不開的問題，和解開那個問題，何者比較難——你還記得嗎?”
“記得。我的答案是，設(shè)計問題比較難。我向來認(rèn)為，解答者應(yīng)該對出題者心懷敬意?！?/p>
在霍金打賭這個事情上，霍金永遠(yuǎn)是那個出題的人?；艚鸪龅淖铍y的問題在物理學(xué)界被稱為 “霍金佯謬”，而《黑洞戰(zhàn)爭》這本書的作者則是解決了“霍金佯謬” 的倫納德. 薩斯坎德。《黑洞戰(zhàn)爭》這本書揭開了斯蒂芬. 霍金與倫納德. 薩斯坎德、赫拉德. 特霍夫特關(guān)于黑洞本性論戰(zhàn)的深層內(nèi)幕，而這一論戰(zhàn)關(guān)系到我們對整個宇宙的根本認(rèn)識。
在《黑洞戰(zhàn)爭》的封底寫道，在 30 年前，一位年輕的英國物理學(xué)家斯蒂芬. 霍金宣稱落入黑洞的事物確實消失了。大多數(shù)科學(xué)家沒有意識到這種觀點(diǎn)的意義所在，不過美國物理學(xué)家倫納德. 薩斯坎德與荷蘭物理學(xué)家赫拉德. 特霍夫特意識到，如果霍金的觀點(diǎn)是正確的，那么我們必須拋棄以往所有關(guān)于宇宙的基本定律。
也就是說，如果霍金是正確的，那么從愛因斯坦到奧本海默，再到費(fèi)曼的所有人都全錯了，物理學(xué)本身也將處于危機(jī)之中。
遂古之初，誰傳道之?
上下未形，何由考之?
冥昭瞢闇，誰能極之?
馮翼惟像，何以識之?
—— 屈原，《天問》
在東非稀樹草原的某個地方，一頭年邁的獅子正在尋覓它的美餐，它很想捕捉年老體弱、行動遲緩的獵物，但眼前只有一頭年輕而健康的羚羊，是它唯一可能的選擇。羚羊的雙眼非常適合巡視四周，它用謹(jǐn)慎的目光搜索著捕食者危險的活動區(qū)域。捕食者的目光正視前方，極其適合于鎖定它的獵物以及測量距離。羚羊這次的大角度掃描漏過了捕食者，它漫步到了被捕及的范圍之內(nèi)。獅子強(qiáng)有力的后縮，然后猛然沖向那驚慌的獵物。永恒而經(jīng)典的比賽重新開始了。
盡管獅子已經(jīng)被年齡拖累，但這頭大型的貓科動物依然是出色的短跑運(yùn)動員，它們之間的距離開始接近。但是獅子強(qiáng)有力的快肌纖維漸漸變得缺氧，不久羚羊天生的耐力取勝了，在某一刻，獅子和它的獵物之間的相對速度變成了負(fù)號，距離從起初的漸漸縮短，到慢慢開始拉大。好運(yùn)稍縱即逝，獅子意識到失敗了，它灰溜溜地回到灌木叢中。
5 萬年前，一個疲倦的獵人發(fā)現(xiàn)了一個被大石塊擋住的山洞口，如果他能移走這個沉重的阻礙物，那么這個洞口將是一個安全的休息場所。這個獵人直立著，這不同于它的猿人祖先。他站在那里用力地推石塊，石塊不動。為了找到一個更好的角度，他移動雙腿，調(diào)節(jié)與石塊的距離。當(dāng)他的身體幾乎處于水平時，所施的力在有效的方向上，有一個很大的分量，大石塊被移走了。
距離?速度?符號的改變?角度?分量?獵人未受教育的頭腦中發(fā)生了令人難以置信的、復(fù)雜的計算，獅子的頭腦中也同樣如此。我們通常是在高中的物理課本上首次遇到這些專門概念的。獅子從哪里學(xué)會測量獵物的速度以及更為重要的相對速度呢?獵人學(xué)過物理課程中力的概念嗎?他了解三角學(xué)中計算正弦和余弦的方法嗎?
當(dāng)然，事實上所有復(fù)雜的生物物種都有內(nèi)在的、天生的物理概念，這是通過進(jìn)化灌輸?shù)剿鼈兊纳窠?jīng)系統(tǒng)的。如果沒有這些預(yù)編的物理程序，它們就無法生存。變異和自然選擇使我們甚至是動物都成了物理學(xué)家。對人類而言，大尺寸的大腦使得這些本能進(jìn)化成我們意識層次上的概念。
事實上，我們都是經(jīng)典物理學(xué)家。
吾欲知神甚多，神予吾者太吝。
—— 羅伯特. 安森. 海因萊因，《異鄉(xiāng)異客》
我們都是經(jīng)典物理學(xué)家，我們可以在很淺顯的水平上感覺到力、速度和加速度。我們天生內(nèi)置的觸覺可以通過冷和熱來感覺物質(zhì)分子和原子的運(yùn)動，我們內(nèi)置的聽覺和視覺可以接受一定頻率內(nèi)的聲波和電磁波，但我們也就僅此而已，沒有更多的能力。在《異鄉(xiāng)異客》這部科幻小說中，羅伯特. 海因萊因創(chuàng)造了一個專用詞匯 Grok 來表達(dá)對現(xiàn)象深層次的直覺，以及近乎本能的理解。我 Grok 力、速度和加速度，我 Grok 三維空間，我 Grok 時間和數(shù)字 5，一塊石頭和一支矛的軌跡是可以 Grok 的，但是對于我的 Grok 能力而言，標(biāo)準(zhǔn)的 Grok 用到十維時空，或者數(shù)字 10^1000 時就失效了，當(dāng)用到電子世界和海森堡不確定性原理時會更糟。
20 世紀(jì)初，大量的直覺觀念失效;物理學(xué)在完全陌生的現(xiàn)象面前顯得不知所措。假設(shè)我出生的時間早了 100 年(也就是假設(shè)我出生于 1882 年)，那么，當(dāng) 1887 年邁克爾遜和莫雷發(fā)現(xiàn)地球在假設(shè)的以太中的軌道運(yùn)動不可觀測時，我正好 5 歲;1897 年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子的時候，我 15 歲;1905 年愛因斯坦發(fā)表狹義相對論的時候，我 23 歲;1927 年海森堡發(fā)現(xiàn)不確定性原理的時候，我已經(jīng) 43 歲了。進(jìn)化的壓力也不可能使我對于這些根本不同的世界產(chǎn)生本能的認(rèn)識。因此，我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 至少是我們中的某些人的, 事先為裝備自己做好準(zhǔn)備，這使得但可以去詢問這些晦澀的現(xiàn)象，而且可以創(chuàng)造精確的抽象概念，用新的、非直覺的深刻概念來處理和解釋它們。
霍金是做好準(zhǔn)備的人群中最優(yōu)秀的一個。
霍雷肖，天地間的奇事很多，遠(yuǎn)超越你的理性
—— 威廉. 莎士比亞，《哈姆雷特》
在人類頭腦的所有概念中，最奇異的應(yīng)該就是黑洞，黑洞是空間中有一定邊界的洞，任何事物都可以落進(jìn)去，但沒有東西能夠逃出來;黑洞是一個引力強(qiáng)大到能夠?qū)⒐饫卫巫プ〉亩?黑洞是一個能令空間彎曲和時間卷曲的洞;它經(jīng)常出現(xiàn)在科幻小說里，我們在真實宇宙卻無法直接觀測它的存在。不過，經(jīng)過了很好檢驗的物理學(xué)定律堅定地的預(yù)言，黑洞是存在的，僅僅是在我們的銀河系里，可能就有幾百萬個，但它們太暗了，我們看不見;天文學(xué)家想發(fā)現(xiàn)它們也很難。
最早關(guān)于黑洞的概念出現(xiàn)于在 18 世紀(jì)的晚期，那個時候我大天朝正處于乾隆皇帝七下江南，紀(jì)曉嵐智斗和珅的時候，當(dāng)時的法蘭西物理學(xué)家拉普拉斯和英格蘭牧師米歇爾同時產(chǎn)生了一個驚人的想法。那個時代的物理學(xué)家都對天文學(xué)有著強(qiáng)烈的興趣，而有關(guān)天體的所有了解都來源于他們發(fā)出的光。在米歇爾和拉普拉斯的時代，盡管牛頓已經(jīng)去世半個世紀(jì)了，但他在物理學(xué)上依然有著最強(qiáng)大的影響力。牛頓堅信光是由微小的粒子組成的，如果是這樣，那么光微粒必然會受到重力的影響。拉普拉斯想知道，是否存在著一種大質(zhì)量大密度的恒星，以至于光無法逃離它們的引力。如果存在這樣的恒星，那么它們不是全黑以至于不可見嗎?
諸如一塊石頭、一顆子彈，這樣的拋射體能夠逃脫出地球的引力嗎?從某種意義上說，也能也不能。一個有質(zhì)量的引力場永遠(yuǎn)不會終止，它永遠(yuǎn)延續(xù)著，并隨著距離的增加越來越弱，。例如，一個拋射體永遠(yuǎn)無法徹底逃脫地球的引力。但是，如果以極大的速度向上快速扔出一個拋射體，那么它將永遠(yuǎn)持續(xù)它向外的運(yùn)動，隨著距離增長引力越來越弱，無法使其回頭回到地面，這就是拋射體逃脫地球引力的本意。
最強(qiáng)壯的人也無法將一個石頭扔向太空，在忽略空氣阻力的情況下，手槍向上發(fā)射的子彈大約能達(dá)到 3 英里的高度。存在一個特定的速度，恰好足夠發(fā)射一個物體到達(dá)一個永久的外軌道，這個速度被稱為逃逸速度。根據(jù)牛頓的引力定律，宇宙中的任何物體之間的作用是相互吸引的，引力正比于它們質(zhì)量的乘積，反比于它們之間距離的平方.F=mMG/D^2
如果你的高中物理知識還有印象，你可以算出，逃逸速度的公式為V=√(2MG/R)。這個公式清楚的表明，質(zhì)量越大，半徑 R 越小，逃逸速度越大。
逃離地球表面的初始速度大約是每秒 11 千米，相比較之下，半徑為 1 英里的小行星的逃逸速度大約是輕易能夠達(dá)到的每秒 2 米;太陽表面的逃逸速度比地球表面的逃逸速度大 50 倍左右，依然比光速慢很多。然而，太陽注定不能永遠(yuǎn)保持相同的尺寸，當(dāng)恒星的燃料消耗殆盡時，由內(nèi)熱產(chǎn)生的向外的壓力消失，引力就像一個巨大的鉗子一樣，使恒星坍縮為它原有尺寸的一小部分。大約 50 億年后，太陽將會枯竭，坍縮成白矮星，它的半徑和地球相當(dāng)。從它的表面逃離需要的速度為每秒 4000 英里，快極了，但依然只是光速的 2%。
如果太陽再重一些，即大約是現(xiàn)在質(zhì)量的 1.5 倍，那么增加的質(zhì)量會更好把它擠壓過白矮星階段。恒星內(nèi)的電子會被擠壓到質(zhì)子里面，形成一個稠密得難以想象的中子球。中子星表面的逃逸速度大約是 80% 的光速。
如果坍縮的恒星更重的話，即達(dá)到太陽質(zhì)量的 5 倍，那么即便是密集的中子星也無法承受向內(nèi)的引力，它最終會探索到一個奇點(diǎn)。奇點(diǎn)的逃逸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光速，暗星，也就是今天我們稱為黑洞的東西誕生了。
想象你正在一個黑洞附近，但是距離奇點(diǎn)尚有一段距離，你想開動飛船以光速逃離黑洞，你能成功嗎?答案依賴于黑洞的質(zhì)量和你開始旅程的精確奇點(diǎn)。一個被稱為視界的假想球面將宇宙分為兩部分，從視界內(nèi)發(fā)出的光不可避免被拉回黑洞，而從視界外發(fā)出的光能夠逃脫黑洞的引力。如果太陽被變成了黑洞，世界半徑大約是 2 英里。
視界的半徑被稱為史瓦西半徑。它的計算公式為 RS=2MG/c^2。質(zhì)量和史瓦西半徑成正比是物理學(xué)家知道的黑洞的第一件事，地球的質(zhì)量是太陽的百萬分之一，因此它的史瓦西半徑大概是一個乒乓球大小。相比之下，有一個超大尺寸的黑洞，潛藏在銀河系中心，它的史瓦西半徑是 1000 萬英里，與地球環(huán)繞太陽的軌道大小相當(dāng)。
就在今天，天文學(xué)家利用美國太空總署(NASA)的哈伯太空望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)距離地球 6 億光年擁有類星體的 Mrk231 星系有兩個互相公轉(zhuǎn)的黑洞。專家估計，雙重黑洞的主黑洞質(zhì)量是太陽的 1.5 億倍;另一個黑洞的質(zhì)量則是太陽的 400 倍，由于它們距離很近，因此軌道周期僅 1.2 年。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，兩個黑洞產(chǎn)生的能量，讓 Mrk231 星系的星體產(chǎn)生率是銀河系的 100 倍。
有相當(dāng)一段時間，物理學(xué)家認(rèn)為黑洞是異常簡單的怪物，因為黑洞的一切性質(zhì)，包括它的引力作用強(qiáng)度、它對星光軌道的偏轉(zhuǎn)、它的表面形狀和大小等等，僅僅只由三個參數(shù)決定，分別是黑洞的質(zhì)量，黑洞的角動量，還有黑洞的電荷。而且黑洞不能帶太多的電荷，假如電荷太多，它會很快從星際氣體中吸引相反的電荷來中和自己的電荷。黑洞旋轉(zhuǎn)的時候，會帶動空間一起旋轉(zhuǎn)，而空間又帶動周圍的物質(zhì)一起旋轉(zhuǎn)。
知道了黑洞的質(zhì)量和角動量，又知道它的電荷一定少的可以忽略，那么可以根據(jù)廣義相對論公式來計算黑洞應(yīng)該具有的一切性質(zhì)，比如引力作用強(qiáng)度、相應(yīng)的星光偏轉(zhuǎn)能力以及更有意義的，黑洞的形狀和大小。
黑洞的熵的想法相當(dāng)深奧，熵的概念普遍存在于日常生活的大量物理現(xiàn)象中，這個概念最早起源于熱力學(xué)的初創(chuàng)時期，1850 年，德國物理學(xué)家克勞修斯將一個系統(tǒng)無法獲得的能量稱為系統(tǒng)的熵。并且，任何一個封閉系統(tǒng)的熵總是隨著時間而增加的。19 世紀(jì) 90 年代，玻爾茲曼從更加基本的定律中推得熱力學(xué)第二定律，玻爾茲曼論證道，如果你同意氣體是由無規(guī)則運(yùn)動的分子組成的，那么原則上你就可以使用概率的方式計算出各種感興趣的物理量，甚至熵。根據(jù)玻爾茲曼的觀點(diǎn)，系統(tǒng)的熵可以被認(rèn)為是系統(tǒng)混亂程度的度量，熵越高，意味著系統(tǒng)的混亂程度越高，隨機(jī)性越強(qiáng)。對于一副撲克牌來說，還沒有開封的時候熵最低，因為這個時候撲克牌處于最有序的狀態(tài)，洗牌之后，撲克牌的熵變高了，因為撲克牌的順序被打亂了。同樣，處于接近絕對零度狀態(tài)的氣體的熵非常低，升高穩(wěn)定，氣體分子開始運(yùn)動，系統(tǒng)處于各種各樣的狀態(tài)中，熵隨之增加。
讓我們做一個思維體操，想象你自己正在圍繞黑洞運(yùn)動，你擁有一個裝滿熱氣體的容器，顯然它具有大量的熵，接著你把容器拋向黑洞，按照標(biāo)準(zhǔn)的思維方式，容器會簡單的消息在視界之后。實際上，容器最終會從可見宇宙中消失。這可有點(diǎn)不妙，按照流行的觀點(diǎn)，黑洞是一個簡單的東西，它的視界是一個極為規(guī)則無特征的球面，除了它們的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，任何一個黑洞都和其他黑洞是一樣的，這樣的視界無法隱藏任何的信息，那么我們把容器扔進(jìn)去之后，這個宇宙的熵減小了。
這顯然和熱力學(xué)第二定律相違背。
熵是永不減小的，還有一個東西和它類似，也是永不減小的，這個東西就是黑洞的視界。20 世紀(jì) 60 年代，霍金證明黑洞的視界永不減小。事實上這個證明用非數(shù)學(xué)語言也比較容易解釋，想象一個黑洞，它的史瓦西半徑正比于質(zhì)量，而視界面積則正比于半徑的平方，因此視界面積正比于質(zhì)量的平方。假定我們將一個質(zhì)量為 M1、視界面積為 A1 的黑洞和質(zhì)量為 M2、視界面積為 A2 的黑洞接合到一起，新黑洞的質(zhì)量是 M1+M2，新的視界面積正比于 (M1+M2)^2, 這個數(shù)大于 M1^2+M2^2，也就是說大于 A1+A2。也就是說，黑洞的面積是永遠(yuǎn)增加的。
1974 年，霍金對物理學(xué)做出了他這輩子最大的貢獻(xiàn)，他證明了黑洞的視界就是黑洞的熵，并且精確的給出了黑洞的溫度公式T=(hc^3)/(16π^2GMk)
用霍金這個公式能夠得出什么呢?這個公式說明了黑洞的熵非常大，即使是天文學(xué)上最小的黑洞的熵也是非常巨大。一個質(zhì)量為太陽質(zhì)量的黑洞，它的熵高達(dá) 10^10^16，這個數(shù)字大到難以想象，黑洞是一個混亂度極高的研究對象…
但是，這怎么可能呢?如果黑洞真的處于無序當(dāng)中，那么支配這種無序狀態(tài)的微觀態(tài)又是什么呢?廣義相對論說黑洞具有質(zhì)量、電荷以及自旋，還有什么能夠讓黑洞中存在無序?也就是熵呢?
直到 23 年之后，科學(xué)家們才能夠開始回答霍金提出的這一問題，而對這一問題的解答，改變了我們對于宇宙的最根本的認(rèn)識。
科學(xué)家們逐漸認(rèn)識到，我們的宇宙其實是一副全息圖。
未完待續(xù)…
【鈦媒體作者介紹：何曉陽， OneAPM 創(chuàng)始人】
