霍金的研究兴趣相当广泛

三联生活周刊：多年以来，史蒂芬·霍金都是科学界最鲜明的形象之一，同时他也是一个病人和一位理论物理学家。作为他的同事，能否介绍一下你所认识的史蒂芬·霍金？

约翰·巴罗：霍金和我的博士导师都是丹尼斯·夏玛，霍金大约比我大10岁，所以我是夏玛在牛津时期的学生（20世纪70年代到80年代早期，夏玛从剑桥大学转入牛津大学做研究，霍金是他此前在剑桥大学的博士生）。我在1974年师从夏玛进行博士研究，差不多正是在那个时候，霍金向《自然》（Nature）杂志投稿一篇论文，他在那篇论文里论述了人们后来所说的“霍金效应”（Hawking Effect）——所谓的黑洞（Balck Hole）实际上是一种黑体（Black Body），它们也会向外辐射粒子，这正是霍金成为世界级科学家的开始。

之后30年（从1979年到2009年），他一直是剑桥大学的卢卡斯数学教授（Lucasian Chair of Mathematics）。在20世纪60年代，他的论文著作主要是论述宇宙扰动的一些技术性问题，之后他又开始对一些“奇点定理”（Singularity Theorem）感兴趣。牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）向他介绍了物质因为引力塌缩可能形成黑洞，彭罗斯用此前还从来没有人在宇宙学和引力学研究中用过的数学技术来研究黑洞问题，而霍金很快就可以拓展这些理论，他和彭罗斯共同写了一些论文。实际上这些论文都非常的数学化，其中讨论更多的是“定理”（Theorem）而不是“理论”（Theory）。之后霍金开始研究量子引力问题，他希望可以通过宇宙学观测来判断宇宙是否可以被扭曲并对它进行限制，他和罗杰·泰勒（Roger Taylor）合作进行宇宙观测，试着通过当时发现不久的宇宙微波背景辐射来探测宇宙的旋转。

我想这说明霍金是一个有着广泛兴趣的科学家。他利用微分拓扑学做了很多高度数学性的工作，有的时候他又对物理学问题更感兴趣，比如宇宙中的核合成问题、微波背景辐射问题等等。他也和理论物理学家加里·吉本斯（Gary Gibbons）合作设计过引力波探测装置。要知道他的第一个学位是物理学而不是数学，在1981～1982年左右，他关于量子引力方面的工作，涉及到量子宇宙学、暴涨宇宙模型、在暴涨宇宙中宇宙波动的起源等等。当时他主要是与詹姆斯·哈妥（James Hartle）一起在设计量子宇宙学模型领域进行工作，后来他又和一些更加年轻的研究者们共同工作。这基本上就是他一生进行科学研究的轨迹——他并不只是关注于黑洞，那只是他的一个关注点而已。

霍金也关注宇宙模型。在量子引力问题上，人们直到现在也没有彻底解决。但是关于霍金效应，这算是一个比量子引力问题更为一般化的效应，它说明黑洞也会蒸发，这是基于热动力学得出的结论。黑洞的表面积就相当于熵，而表面引力则相当于温度。

实际上，人们在1974年之前就意识到了黑洞动力学与热动力学之间非常奇特的相似性。比如说如果两个黑洞合并，它们的表面积永远不会减少，新合并的黑洞的表面积总会大于之前两个黑洞表面积之和，而且你不可能通过有限的行为把黑洞的表面积减小为零。人们发现，在黑洞动力学中，如果你把“黑洞表面积”替换为“熵”，把“表面引力”替换为“温度”，这就会与热动力学第四定律一致。当时有些人认为这只是一种巧合而已，因为黑洞根本就没有温度，它的温度一定是零，它没有任何的辐射。但是霍金认为，如果你以量子力学的眼光看待黑洞，它确实会向外辐射。而且黑洞确实具有温度，这由它的表面引力所决定——这是一个戏剧化的发现，这说明你有可能只是通过热力学规则就能够最终得到一个量子引力的理论。

霍金发现的这个著名的公式，他说过希望以后可以刻在他的墓碑上。它描述了一个黑洞的熵，其中包含了玻尔兹曼常数、普朗克常数、光速和牛顿的万有引力常数，因此这是一个包含了所有基本常数的公式：包含热力学（玻尔兹曼常数）、引力学（牛顿引力常数）、相对论（光速），还有量子理论（普朗克常数）。这是现代物理学最伟大的发现之一。当然也有人预测，我们可能会发现极小规模的黑洞在蒸发的最后阶段发生爆炸——这还从来没有被发现过。当然我们也不期待发现这种现象，因为这会说明宇宙在刚刚出现时是一种非常混乱的、非常不均匀的状态，我们也不相信宇宙是这样的。