原創(chuàng) 矩陣星 果殼

1月8日，在物理學(xué)史上是個(gè)不平凡的日子。1642年1月8日，年數(shù)已高的伽利略·伽利雷在意大利佛羅倫薩溘然長(zhǎng)逝。3個(gè)世紀(jì)后的1942年1月8日，一個(gè)新生兒降生在英國(guó)牛津，被父母命名為斯蒂芬·霍金。

伽利略與霍金 前者的忌日與后者的生日相隔整整300年 | Wikimedia Commons

伽利略和霍金同為劃時(shí)代的物理學(xué)家，前者的忌日與后者的生日正好相差整整300年，這一美妙的巧合一直為物理學(xué)界津津樂(lè)道。也正是在這300年間，歷史見(jiàn)證了樸素的經(jīng)典物理學(xué)向以量子力學(xué)和廣義相對(duì)論為支柱的現(xiàn)代物理學(xué)的跨越，伽利略和霍金也正是經(jīng)典和現(xiàn)代物理學(xué)的杰出代表?；仡櫤捅容^兩人的學(xué)術(shù)成就以及身處的時(shí)代大背景，我們能更真切地體會(huì)到物理學(xué)在這300年間發(fā)生的翻天覆地的變化。

從月球環(huán)形山到黑洞

伽利略和霍金都對(duì)我們頭頂?shù)暮棋强者M(jìn)行了深入的研究，只是兩人的研究方式可以說(shuō)是大相徑庭。

伽利略對(duì)宇宙的探索，主要依靠他親手改造的望遠(yuǎn)鏡，他是歷史上第一個(gè)用望遠(yuǎn)鏡觀察天體的人。在望遠(yuǎn)鏡中，他發(fā)現(xiàn)了月球上的環(huán)形山、繞著木星轉(zhuǎn)動(dòng)的四顆衛(wèi)星、土星環(huán)還有太陽(yáng)黑子，每一項(xiàng)都稱得上是天文學(xué)的重大突破，這也讓伽利略被后人稱為“觀測(cè)天文學(xué)之父”。

伽利略向威尼斯總督展示他制作的望遠(yuǎn)鏡 | Wikimedia Commons伽利略手繪的月面草圖 | Wikimedia Commons

伽利略的天文發(fā)現(xiàn)對(duì)當(dāng)時(shí)主流的古希臘宇宙觀構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，推動(dòng)了地心說(shuō)向哥白尼日心說(shuō)的發(fā)展。在亞里士多德的設(shè)想中，天上的星體應(yīng)當(dāng)是完美無(wú)缺的，月球環(huán)形山和太陽(yáng)黑子否定了這一想法。支持地心說(shuō)的托勒密學(xué)派則認(rèn)為只有地球才可能有天體繞著運(yùn)動(dòng)，木星四顆衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)更是說(shuō)明了地球并不是宇宙的中心。

時(shí)間來(lái)到霍金所處的20世紀(jì)，伽利略發(fā)現(xiàn)的月球環(huán)形山上已經(jīng)留下了人類的足跡。天文學(xué)觀測(cè)宇宙的工具從可見(jiàn)光拓展到了紅/紫外線、X射線等整個(gè)電磁波譜，天文學(xué)家以此來(lái)研究宇宙中數(shù)千億顆恒星的光譜與構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)了脈沖星、類星體等特殊的天體。廣義相對(duì)論甚至預(yù)測(cè)了一種全新的天體：黑洞。黑洞質(zhì)量如此之大，密度如此之高，以至于光線都無(wú)法逃脫它的引力。

霍金學(xué)術(shù)成果集中體現(xiàn)在他對(duì)黑洞理論的巨大貢獻(xiàn)，他與彭羅斯共同提出了彭羅斯-霍金奇點(diǎn)定理，并根據(jù)量子效應(yīng)提出黑洞內(nèi)部存在輻射（后來(lái)被命名為霍金輻射）。然而，與伽利略的望遠(yuǎn)鏡里肉眼可見(jiàn)的月球環(huán)形山不同，霍金研究的黑洞一開(kāi)始是從廣義相對(duì)論方程推導(dǎo)出來(lái)的。廣義相對(duì)論提出了半個(gè)世紀(jì)，人類才在6000光年外的天鵝座X-1里首次確認(rèn)了黑洞的存在，又過(guò)了50多年才拍下了第一張黑洞的照片，可以說(shuō)人類最先是利用數(shù)學(xué)方程而不是望遠(yuǎn)鏡這樣的實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)現(xiàn)了黑洞。

人類史上首張黑洞照片 | Wikimedia Commons

物理與數(shù)學(xué)的相愛(ài)相殺

同為窺探宇宙奧秘，伽利略的工具是望遠(yuǎn)鏡，霍金的工具則是高度形式化的數(shù)學(xué)，這也反映了300年間物理學(xué)研究方法的巨大轉(zhuǎn)變。

就物理學(xué)思維而言，伽利略已經(jīng)站在了時(shí)代最前列，他是最早嘗試用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)家之一，比如用坐標(biāo)描述拋射物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。用數(shù)學(xué)定量描述物體運(yùn)動(dòng)的思想后來(lái)被牛頓發(fā)揚(yáng)光大，發(fā)展出了以微積分為數(shù)學(xué)。

對(duì)于伽利略和牛頓那個(gè)時(shí)代的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，物理學(xué)研究的基本方法就是先做實(shí)驗(yàn)記數(shù)據(jù)，然后嘗試用數(shù)學(xué)方程來(lái)描述和歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終總結(jié)出一般性的物理理論。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我們讓一個(gè)小球自由落下，測(cè)出小球下落的距離和落地的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)距離和時(shí)間的平方是成正比的，那么就不妨用一個(gè)數(shù)學(xué)公式來(lái)描述這種自由落體運(yùn)動(dòng)：

數(shù)學(xué)公式描述自由落體 距離和時(shí)間的平方成正比| keisan.casio.com

然而，經(jīng)過(guò)3個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，數(shù)學(xué)在物理學(xué)中的地位大有反客為主之勢(shì)。物理學(xué)家將以前的研究方式顛倒了過(guò)來(lái)，開(kāi)始從數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)中推導(dǎo)出物理理論，最后再用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)。廣義相對(duì)論中的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程就是非常典型的例子，不像上面的自由落體公式，這個(gè)復(fù)雜的方程沒(méi)有參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幾乎完全是從數(shù)學(xué)變換中構(gòu)造出來(lái)的。要是讓兩三個(gè)世紀(jì)前的物理學(xué)家來(lái)看這個(gè)公式，即使能搞懂所有的數(shù)學(xué)符號(hào)，他們恐怕也只會(huì)認(rèn)為這只不過(guò)是數(shù)學(xué)家的奇技淫巧，脫離了我們的現(xiàn)實(shí)世界。

墻上的畫(huà)表現(xiàn)光線受引力作用彎曲，下方的公式就是愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程 | Wikimedia Commons

出乎意料的是，后來(lái)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程真的能夠描述宇宙中的引力場(chǎng)，黑洞的概念就來(lái)源于這個(gè)方程的一個(gè)解。霍金的主要成果之一，彭羅斯-霍金奇點(diǎn)定理討論的也是方程解的一類特殊問(wèn)題。除了黑洞以外，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程還預(yù)測(cè)了引力波的存在，并最終在2016年得到了證實(shí)。經(jīng)過(guò)3個(gè)世紀(jì)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)學(xué)在物理學(xué)中的地位已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度，從單純用來(lái)記錄和擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的工具最終化身成為發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的重要依據(jù)。

霍金（左）與彭羅斯（右）

彭羅斯因?qū)诙吹难芯繕s獲2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) | IAI TV

邁向科學(xué)時(shí)代

在伽利略逝世和霍金出生相隔的300年間，人類社會(huì)發(fā)生了多次科學(xué)革命，對(duì)待科學(xué)技術(shù)的態(tài)度也發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，從伽利略和霍金的作品受到的待遇上就可以非常明顯地看到這一點(diǎn)。

伽利略所處的時(shí)代對(duì)他的科學(xué)探索并不友好。那時(shí)候科學(xué)還沒(méi)能從哲學(xué)和宗教中完全分離出來(lái)，相比起實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主流思想界更愿意相信古希臘的先哲和《圣經(jīng)》。

為了宣揚(yáng)哥白尼的日心說(shuō)理論，伽利略完成了天文學(xué)著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》（以下簡(jiǎn)稱為《對(duì)話》）。這本書(shū)采用了對(duì)話體的形式，書(shū)中的兩名角色分別為伽利略和亞里士多德學(xué)派的代言人，對(duì)地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)、潮汐等科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了辯論。說(shuō)是對(duì)話，其實(shí)也就是伽利略借用別人的口吻來(lái)反駁亞里士多德的觀念。書(shū)里亞里士多德的代言人辛普利丘(Simplicio)漏洞百出，而伽利略的代言人薩爾維奧蒂(Sagredo)則是據(jù)理力爭(zhēng)。

《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》 | Wikimedia Commons

因?yàn)樾麚P(yáng)地球不是宇宙的中心，《對(duì)話》出版沒(méi)幾個(gè)月就被教會(huì)列為禁書(shū)，伽利略本人被傳訊到宗教法庭審判，最終被判處終身軟禁。這是科學(xué)史上最臭名昭著的審判之一，直到3個(gè)多世紀(jì)后，羅馬教皇才為伽利略正式平反，代表教會(huì)承認(rèn)當(dāng)年對(duì)伽利略的判決是不正當(dāng)?shù)摹?/p>表現(xiàn)伽利略被教會(huì)審判的油畫(huà) | Wikimedia Commons

與伽利略的遭遇形成鮮明反差的是，霍金的科普作品《時(shí)間簡(jiǎn)史》直至今日仍然是人類社會(huì)最暢銷的讀物之一，書(shū)中描述的浩瀚宇宙與背后的物理規(guī)律讓無(wú)數(shù)人著迷。不僅《時(shí)間簡(jiǎn)史》成為了一種流行符號(hào)，霍金也成為了當(dāng)代物理學(xué)的代言人之一，甚至每當(dāng)霍金發(fā)表關(guān)于人類社會(huì)或外星生命的觀點(diǎn)，都會(huì)引來(lái)人們的關(guān)注和爭(zhēng)論?！稌r(shí)間簡(jiǎn)史》的風(fēng)靡和霍金受到的尊崇也側(cè)面反映出當(dāng)代人類社會(huì)對(duì)未知世界的好奇與對(duì)于科學(xué)事業(yè)的關(guān)注。

《時(shí)間簡(jiǎn)史》 | Wikimedia Commons

事實(shí)上，把伽利略的《對(duì)話》放到今天出版，假如能拋去落后于時(shí)代的表述方式，這本書(shū)同樣是一本不錯(cuò)的科普作品。書(shū)里沒(méi)有冗長(zhǎng)的證明，而是以你一句我一句的對(duì)話形式證明了地心說(shuō)的荒謬。伽利略也可能像霍金一樣成為受大眾喜愛(ài)的物理學(xué)家，而絕不是被某個(gè)國(guó)家機(jī)器審判和軟禁。社會(huì)主流對(duì)待科學(xué)思想與科學(xué)家的態(tài)度可能是伽利略和霍金所處時(shí)代最本質(zhì)的差別之一。

一脈相承的科學(xué)家精神

拋開(kāi)伽利略和霍金的學(xué)術(shù)成就，如果將更多關(guān)注點(diǎn)放到他們的生平事跡上，兩人在科學(xué)探索中表現(xiàn)出的精神屬性同樣值得后世銘記。

伽利略能在思想封閉的大環(huán)境下取得突破性的成就，核心原因之一就是他絕不迷信權(quán)威。在伽利略看來(lái)，不管你是教皇還是亞里士多德甚至是《圣經(jīng)》中的上帝，如果你的理論和我的觀測(cè)結(jié)果相悖，那么我就要向你提出質(zhì)疑。教會(huì)的審判和軟禁更使他成為遭受不公待遇的代表科學(xué)家之一，提高了他在人類科學(xué)史中的地位。

油畫(huà)中面對(duì)羅馬宗教裁判所的伽利略（右一） | Wikimedia Commons

對(duì)于霍金而言，他對(duì)抗的不是鉗制思想的教會(huì)，而是壓榨生命的病魔?；艚鹉贻p的時(shí)候患上了罕見(jiàn)的漸凍人癥，病情最終惡化為全身癱瘓，他只能依靠機(jī)器表達(dá)自己的思想。即使是在如此惡劣的身體條件下，霍金仍然憑借頑強(qiáng)的意志在理論物理學(xué)領(lǐng)域做出了突破性貢獻(xiàn)，并致力于將科學(xué)傳播給更為廣泛的大眾。

霍金沒(méi)有被病魔擊倒 | Wikimedia Commons

霍金本人在《時(shí)間簡(jiǎn)史》里寫(xiě)道，“我對(duì)伽利略之所以有一種強(qiáng)烈的認(rèn)同感，其部分原因是剛好我出生于他死后的300年！”一位是近代科學(xué)的先驅(qū)者，一位是現(xiàn)代宇宙學(xué)的天才理論家，伽利略和霍金不僅在逝世和出生日期上有著奇妙的巧合，兩人的科學(xué)成就、科學(xué)思想和科學(xué)精神也是物理學(xué)家中當(dāng)之無(wú)愧的典范。

參考文獻(xiàn)

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_Galilei

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking

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[4] Rose, Charlie. "A conversation with Dr. Stephen Hawking & Lucy Hawking". charlierose.com. Archived from the original on March 29, 2013.

[5] 吳國(guó)盛.科學(xué)的歷程[M]. 長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2018.

作者：矩陣星

原標(biāo)題：《霍金在伽利略逝世300年后出生，今天分別是他們的生日和忌日》

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