二、牛津和劍橋

二、牛津和劍橋

我父親非常希望我能進牛津或劍橋。他本人上過牛津的大學學院,所以他認為我應該申請這個學院,這樣我被接受的機會更大些。那時大學學院沒有數學的研究員,這是他要我學習化學的另一個原因:我可以嘗試自然科學而非數學方面的獎學金。

我家的其他成員去了印度有一年,但是我必須留下準備A水平和大學入學的考試。我的校長認為我去投考牛津太年輕了些,但是在1959年3月我還是和學校中另外兩個比我高一年的男孩參加了獎學金考試。當大學監考講師和其他人講話而不理我時,我相信我考得很糟,所以非常沮喪,在從牛津回家後幾天,我收到了一封電報,說我得到了獎學金。

我那時十七歲,同年級同學中的大多數都在軍隊服務過,所以比我大許多。在大學第一年以及第二年的部分時間裏我覺得相當孤單。只有到了第三年我才真正感到快樂。當時籠罩牛津的氣氛是極端厭學。要是你不屬於聰明而老不用功的,則就甘心承認自己不行得到四等。由於用功而得到好分數被認為是灰人,這是牛津詞彙中最壞的諢名。

那時牛律的物理學課程安排得特別容易,你可以毫不用功。在牛津上學的三年中只在剛入學和快結束時各考一回。找曾計算過,三年期間我總共用了一千小時的功,也就是平均每天一小時。我並不為我的懶惰感到自豪。我只不過描述當時我和大多數同學的共同態度:對一切完全厭倦並覺得沒有任何值得努力追求的東西。我的疾病的一個結果就是把這一切都改變了:當你面臨著夭折的可能性,你就會意識到,生命是寶貴的,你有大量的事情要做。

因為我沒有用功,為了通過期終考我就打算做理論物理的問題,避免記憶性的知識。可是,考試前夜我由於神經緊張而失眠,因此考得不很好。我處於第一等和第二等的邊緣,所以必須接受考官的面試才能最後決定。他們在面試時問我未來的計劃。我回答說要做研究。如果他們給我一等,我就去劍橋。如果我只得到二等,我則留在牛津。他們給了我一等。

我覺得理論物理中有兩個領域是基本的,我可以做研究的,一個是研究非常大尺度的即宇宙學,另一個是研究非常小尺度的即基本粒子。因為基本粒子缺乏合適的理論,所以我認為它較不吸引人。雖然科學家發現許多新粒子,他們能做的只不過是和植物學一樣把各種粒子分門別類。相反的,在宇宙學方面已有一個定義完好的理論,即愛因斯坦的廣義相對論。

當時在牛津沒人研究宇宙學,而在劍橋的弗古得-霍伊爾卻是英國當代最傑出的天文學家。所以我申請跟霍伊爾作博士論文。我到劍橋做研究的申請被接受了,其先決條件是我要得到第一等成績。但是使我惱火的是,我的導師不是霍伊爾,而是鄧尼斯-西阿瑪,我以前沒有聽說過他。然而,最後發現這是最佳的安排。霍伊爾經常在國外,我也許不能經常見到他。另一方面,西阿瑪總在那裏,他的教導總是發人深省,儘管我們之間經常意見相左。

因為我在學校和牛津並沒有學到許多數學,所以一開始時發現廣義相對論非常艱深,進展緩慢。此外,我在上牛津的最後一年發現自己的行動越來越笨拙。到了劍橋不久即被診斷患了肌肉萎縮性側面硬化病,在英國稱作運動神經細胞病。(在美國又稱作廬伽雷病。)醫生對於治癒甚至控制它的惡化都束手無策。

最初這種病惡化得相當迅速。因為我預料自己不會活到結束博士論文,所以看來沒有必要作研究。然而,隨着時間的過去,這種病的惡化似乎減慢了下來。我還開始理解了廣義相對論並在研究上有所進展。真正使我生活改觀的是我和一位名叫簡-瓦爾德的姑娘定婚。

我邂逅她之時大約便是診斷得了運動神經細胞病前後。這就使我有了一些活頭。

但是為了結婚,我需要一個工作,為了得到工作,需要一個博士學位。因此在我的一生中首次開始用功。令我驚訝的是,我發現自己喜歡研究。也許把它稱作工作是不公平的。有人說道:科學家和妓女都為他們喜愛的職業得到報酬。

我向龔維爾和凱爾斯(發音作基斯)學院申請研究獎金。我希望簡能為我的申請表打字,可是當她來劍橋看望我時,她的手臂因為骨折打上石膏。我必須承認,我應對她更為體貼才對。還好,她是傷了左臂,所以她還能按照我的口授填好該表,我再請另外的一個人打字。

我在申請時列入兩個人的名字作為我的推薦人。我的導師建議我請赫曼-邦迪作為其中之一。邦迪那時是倫敦國王學院的數學教授,他是一名廣義相對論專家。我見過他兩回,他還為我提交過要在《皇家學會會報》上發表的一篇文章。我在他有一次在劍橋演講后要求此事,他以迷惑的眼神凝視我,然後答應說可以。他顯然遺忘了我,因為當學院寫信問他時,他回答說沒有聽說過我。現在,有這麼多人申請學院的研究獎金,如果候選人的推薦人中有一人說對他不了解,他也就不會有機會了。但是那時競爭沒有這麼激烈。學院寫信通知我這推薦人的難堪的答覆,而我的導師到邦迪那兒去使他回想起我來。邦迪後來為我寫了一封也許溢美的推薦信。我如願得到了研究獎金,從此以後一直是凱爾斯學院的研究員。

我在得到了研究獎金后才得以和簡在1965年7月完婚。我們在蘇福克渡了一周蜜月,這是我們僅能負擔的。後來我們去了紐約州的康奈爾大學舉行的廣義相對論暑期班。這是一項錯誤。我們住的宿舍充滿了帶着哭鬧小孩的夫妻,這使我們的婚姻生活不甚愉快。但在,這個暑期班在其他方面對我們非常有益,因為我結識了許多在該領域的頭面人物。

直至1970年止我的研究集中於宇宙論,也就是在大尺度上研究宇宙。這個時期我最重要的成果是關於奇性。對遙遠星系的觀測表明它們正遠離我們而去:宇宙正在膨脹。這說明在過去這些星系必然更加相近。這就產生了這個問題:是否有過產個日寸刻,所有星系都相互重疊在一起,而宇宙的密度是無限的?或者早先是否存在一個收縮相,那時在這個收縮相中這些星系想法避免相互對撞?也許它們相互穿越,然而再相互離開。要回答這個問題需要新的數學技巧。這些就是在1965年和1970年之間主要由羅傑-彭羅斯和我自己所發展的。彭羅斯那時在倫敦的比爾貝克學院,現在他在牛津。我們用這些技巧來證明,如果廣義相對論是正確的話,則在過去必然存在過一個無限密度的狀態。

這個無限密度的狀態被叫作大爆炸奇性。它意味着,如果廣義相對論是正確的,則科學不能預言宇宙是如何啟始的。然而,我更新近的研究成果表明,如果人們考慮到量子物理理論,這個有關非常小尺度的理論,則可能預言宇宙是如何啟始的。

廣義相對論還預言,當大質量恆星耗盡其核燃料時將會向自身坍縮。彭羅斯和我證明了,它們會繼續坍縮直至達到具有無限密度的奇點。至少對於該恆星以及在它上面的一切,這個奇點即是時間的終點。奇點的引力場是如此之強,甚至光線都不能從圍繞它的區域逃逸,它被引力場拉回去。不可能從該處逃逸的區域就叫做黑洞,黑洞的邊界叫做事件視界。任何通過事件視界掉進黑洞的東西或人都在奇點達到其時間的終結。

1970年的一個晚上,當我要上床之時思考黑洞的問題,那是我的女兒露西誕生不久的事。我忽然意識到,彭羅斯和我發展的用於證明奇性的技巧可以適用於黑洞。特別是,黑洞的邊界,即事件視界的面積不會隨時間減小。而且當兩顆黑洞碰撞併合並成一顆單獨的黑洞時,最終黑洞的視界面積比原先兩顆黑洞的視界面積的和更大。這就為黑洞碰撞時可能發射的能量立下了一個重要的限制。那個晚上我激動得難以入眠。

從1970年到1974年我主要研究黑洞。但是在1974年我也許做了畢生最令人吃驚的發現:黑洞不是完全黑的!當人們顧及物質的小尺度行為時,粒子和輻射可以從黑洞漏出來。黑洞正如同一個熱體似地發射輻射。

1974年之後,我從事把廣義相對論和量子力學合併成一個協調理論的研究。其中一個結果便是我和加利福尼亞大學聖他巴巴拉分校的詹姆-哈特爾在1983年提出的一個設想:無論時間還是空間在範圍上都是有限的,但是它們沒有任何邊界。它們像是地球的表面,只不過多了兩維。地球表面具有有限的面積,但是沒有任何邊界。在我的所有旅行中,我從未落到世界的邊緣外去。如果這個設想是正確的,就不存在奇性,科學定律就處處有效,包括宇宙的開端在內。宇宙啟始的方式就完全由科學定律所確定。我也就實現了發現宇宙如何啟始的抱負。但是我仍然不知道它為什麼啟始。

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黑洞、嬰兒宇宙及其他

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