1月8日—在輪椅上看透黑洞的人
1642年1月8日,因宣揚日心說而遭教廷判處終身軟禁的伽利略,終因健康惡化在家中過世,享年77歲。300年後的同一天,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)出生,冥冥之中,似乎蘊含著某種傳承的意味。
伽利略發現沒人見過的天體秘密,包括月球表面崎嶇不平,以及木星有四顆衛星,因而打破長久以來的地心說。霍金研究的也是從未有人見過的黑洞,而他也顛覆了各界對黑洞的普遍認知。不過,伽利略有望遠鏡可用,但霍金的工具就只有他的大腦——真的只有大腦,因為他全身上下都動彈不得。
霍金17歲就錄取牛津大學,三年完成大學學業,但最後一年他動作越來越笨拙、不時跌到。在他進入劍橋大學研究所的隔年,醫生宣判他得的是「肌萎縮性脊髓側索硬化症」,也就是俗稱的漸凍人症,壽命只剩兩年。

霍金原本萬念俱灰,所幸女友珍(Jane Wilde)堅貞的愛情拯救了他;她不但未轉身離去,還毅然在1965年與他結婚,一肩擔下他的生活起居。(霍金曾說:「沒有珍幫忙,我不可能活下去,也不會有意願再活下去。」無奈三十年後兩人還是離婚了。)
雖然霍金並未如醫生所預期的只剩兩年壽命,身體卻越來越不聽使喚,但他仍展現頑強的天性,選擇研究黑洞這個未知之境做為一生志業。
1965年潘洛斯(Roger Penrose)從廣義相對論得出一個解,證明恆星不只會向內塌陷成為黑洞,其中心點還可能形成一個密度無限大的奇異點(singularity)。無限大?物理學家大多將奇異點當成像是幾何中的點,只是個概念,而非真實的存在,惟霍金認真看待。

剛好這一年,貝爾實驗室兩名工程師發表他們發現了宇宙背景輻射,大爆炸理論因此得到印證。於是霍金和與潘洛斯合作,將奇異點理論從恆星延伸到全宇宙,證明大霹靂的源頭就是一個奇異點,時間與空間就是從這初始奇異點開始演化。
之後霍金繼續和其他科學家合作,提出黑洞的許多性質,包括「無毛定理」——不論黑洞是怎樣形成的,它只具有三種性質:質量、角動量、電荷。以及黑洞的四條熱力學定律,其中一條指黑洞不能輻射出任何能量,因此不具有熵。有趣的是,霍金為了駁斥他人對此的質疑,最後卻推翻自己原本的主張,於1974年提出震驚學界的理論:黑洞並不黑。
所謂黑洞不黑,是指黑洞雖會吞噬一切,連光也無法逃脫,但卻可能發出輻射出量子光輝。這是因為真空並非空無一物,而是不斷產生成對的粒子與反粒子。這些粒子通常會立即互相湮滅,但在黑洞邊緣,可能其中一個粒子掉進黑洞,另一個則逃逸到宇宙空間。根據能量守恆,這相當於黑洞輻射出能量,因此會逐漸蒸發消失。這理論便稱為「霍金輻射」,是首次將廣義相對論與量子力學,兩個原本各適用於不同尺度的理論結合在一起,自此,霍金便被視為當代物理界第一人。
另一方面,霍金也是繼愛因斯坦之後最受大眾喜愛的明星科學家。他寫的《時間簡史》內容艱深,卻賣了超過一千萬冊。喜歡開玩笑的他,還偶而在《Star Trek》、《宅男行不行》(The Big Bang Theory)、卡通《辛普森家庭》等電視影集中客串演出。

可惜霍金活得不夠久,他於2018年3月14日在家中病逝(這一天正是愛因斯坦生日,多巧!),來不及看到隔年發表的第一張黑洞觀測照片。他過世兩年後,潘洛斯即以「發現黑洞的形成是廣義相對論的有力預測」而獲頒2020年諾貝爾物理學獎,倘若霍金仍活著,一定能共同分享這最高榮耀。

不過這無損於他在大眾心中的地位,事實上也少有科學家比他更家喻戶曉。因為除了科學上的成就,他一生面對病魔卻毫不屈服,還始終微笑以對,如此堅韌、樂觀的形象,還有誰比他更能彰顯人類不受肉體禁錮的精神力量與心智能力?
