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,也就是在大尺度上研究宇宙。这个时期我最重要的成果是关于奇性。对遥远星系的观测表明它们正远离我们而去:宇宙正在膨胀。这说明在过去这些星系必然更加相近。这就产生了这个问题:是否有过产个日寸刻,所有星系都相互重叠在一起,而宇宙的密度是无限的?或者早先是否存在一个收缩相,那时在这个收缩相中这些星系想法避免相互对撞?也许它们相互穿越,然而再相互离开。要回答这个问题需要新的数学技巧。这些就是在1965年和1970年之间主要由罗杰·彭罗斯和我自己所发展的。彭罗斯那时在伦敦的比尔贝克学院,现在他在牛津。我们用这些技巧来证明,如果广义相对论是正确的话,则在过去必然存在过一个无限密度的状态。
这个无限密度的状态被叫作大爆炸奇性。它意味着,如果广义相对论是正确的,则科学不能预言宇宙是如何启始的。然而,我更新近的研究成果表明,如果人们考虑到量子物理理论,这个有关非常小尺度的理论,则可能预言宇宙是如何启始的。
广义相对论还预言,当大质量恒星耗尽其核燃料时将会向自身坍缩。彭罗斯和我证明了,它们会继续坍缩直至达到具有无限密度的奇点。至少对于该恒星以及在它上面的一切,这个奇点即是时间的终点。奇点的引力场是如此之强,甚至光线都不能从围绕它的区域逃逸,它被引力场拉回去。不可能从该处逃逸的区域就叫做黑洞,黑洞的边界叫做事件视界。任何通过事件视界掉进黑洞的东西或人都在奇点达到其时间的终结。
1970年的一个晚上,当我要上床之时思考黑洞的问题,那是我的女儿露西诞生不久的事。我忽然意识到,彭罗斯和我发展的用于证明奇性的技巧可以适用于黑洞。特别是,黑洞的边界,即事件视界的面积不会随时间减小。而且当两颗黑洞碰撞并合并成一颗单独的黑洞时,最终黑洞的视界面积比原先两颗黑洞的视界面积的和更大。这就为黑洞碰撞时可能发射的能量立下了一个重要的限制。那个晚上我激动得难以入眠。
从1970年到1974年我主要研究黑洞。但是在1974年我也许做了毕生最令人吃惊的发现:黑洞不是完全黑的!当人们顾及物质的小尺度行为时,粒子和辐射可以从黑洞漏出来。黑洞正如同一个热体似地发射辐射。
1974年之后,我从事把广义相对论和量子力学合并成一个协调理论的研究。其中一个结果便是我和加利福尼亚大学圣他巴巴拉分校的詹姆·哈特尔在1983年提出的一个设想:无论时间还是空间在范围上都是有限的,但是它们没有任何边界。它们像是地球的表面,只不过多了两维。地球表面具有有限的面积,但是没有任何边界。在我的所有旅行中,我从未落到世界的边缘外去。如果这个设想是正确的,就不存在奇性,科学定律就处处有效,包括宇宙的开端在内。宇宙启始的方式就完全由科学定律所确定。我也就实现了发现宇宙如何启始的抱负。但是我仍然不知道它为什么启始。
三、我的病历'2'
人们经常问我:运动神经细胞病对你有多大的影响?我的回答是,不很大。我尽量地过一个正常人的生活,不去想我的病况或者为这种病阻碍我实现的事情懊丧,这样的事情不怎么多。
'2'作者注:这是1987年10月在伯明翰召开的英国运动神经细胞病协会会议上的发言稿。
我被发现患了运动神经细胞病,这对我无疑是晴天霹雳。我在童年时动作一直不能自如。我对球类都不行,也许是因为这个原因我不在乎体育运动。但是,我进牛津后情形似乎有所改变。我参与掌舵和划船。我虽然没有达到赛船的标准,但是达到了学院间比赛的水平。
但是在牛津上第三年时,我注意到自己变得更笨拙了,有一两回没有任何原因地跌倒。直到第二年到剑桥后,我母亲才注意到并把我送到家庭医生那里去。他又把我介绍给一名专家,在我的二十一岁生日后不久即入院检查。我住了两周医院,其间进行各式各样的检查。他们从我的手臂上取下了肌肉样品,把电极插在我身上,把一些放射性不透明流体注入我的脊柱中,一面使床倾斜,一面用X光来观察这流体上上下下流动。做过了这一切以后,除了告诉我说这不是多发性硬化,并且是非典型的情形外,什么也没说。然而,我合计出,他们估计病情还会继续恶化,除了给我一些维他命外束手无策。我能看出他们预料维他命无济于事。这种病况显然不很妙,所以我也就不寻根究底。
意识到我得了一种不治之症并在几年内要结束我的性命,对我真是致命打击
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