霍金在伽利略逝世300年后出生，这天分别是他们的生日和忌日

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1月8日，在物理学史上是个不平凡的日子。1642年1月8日，年数已高的伽利略·伽利雷在意大利佛罗伦萨溘然长逝。3个世纪后的1942年1月8日，一个新生儿降生在英国牛津，被父母命名为斯蒂芬·霍金。

伽利略与霍金 前者的忌日与后者的生日相隔整整300年 | Wikimedia Commons

伽利略和霍金同为划时代的物理学家，前者的忌日与后者的生日正好相差整整300年，这一美妙的巧合一直为物理学界津津乐道。也正是在这300年间，历史见证了朴素的经典物理学向以量子力学和广义相对论为支柱的现代物理学的跨越，伽利略和霍金也正是经典和现代物理学的杰出代表。回顾和比较两人的学术成就以及身处的时代大背景，我们能更真切地体会到物理学在这300年间发生的翻天覆地的变化。

从月球环形山到黑洞

伽利略和霍金都对我们头顶的浩瀚星空进行了深入的研究，只是两人的研究方式可以说是大相径庭。

伽利略对宇宙的探索，主要依靠他亲手改造的望远镜，他是历史上第一个用望远镜观察天体的人。在望远镜中，他发现了月球上的环形山、绕着木星转动的四颗卫星、土星环还有太阳黑子，每一项都称得上是天文学的重大突破，这也让伽利略被后人称为“观测天文学之父”。

伽利略向威尼斯总督展示他制作的望远镜 | Wikimedia Commons

伽利略手绘的月面草图 | Wikimedia Commons

伽利略的天文发现对当时主流的古希腊宇宙观构成了严峻的挑战，推动了地心说向哥白尼日心说的发展。在亚里士多德的设想中，天上的星体应当是完美无缺的，月球环形山和太阳黑子否定了这一想法。支持地心说的托勒密学派则认为只有地球才可能有天体绕着运动，木星四颗卫星的发现更是说明了地球并不是宇宙的中心。

时间来到霍金所处的20世纪，伽利略发现的月球环形山上已经留下了人类的足迹。天文学观测宇宙的工具从可见光拓展到了红/紫外线、X射线等整个电磁波谱，天文学家以此来研究宇宙中数千亿颗恒星的光谱与构成，发现了脉冲星、类星体等特殊的天体。广义相对论甚至预测了一种全新的天体：黑洞。黑洞质量如此之大，密度如此之高，以至于光线都无法逃脱它的引力。

霍金学术成果集中体现在他对黑洞理论的巨大贡献，他与彭罗斯共同提出了彭罗斯-霍金奇点定理，并根据量子效应提出黑洞内部存在辐射（后来被命名为霍金辐射）。然而，与伽利略的望远镜里肉眼可见的月球环形山不同，霍金研究的黑洞一开始是从广义相对论方程推导出来的。广义相对论提出了半个世纪，人类才在6000光年外的天鹅座X-1里首次确认了黑洞的存在，又过了50多年才拍下了第一张黑洞的照片，可以说人类最先是利用数学方程而不是望远镜这样的实验仪器发现了黑洞。

人类史上首张黑洞照片 | Wikimedia Commons

物理与数学的相爱相杀

同为窥探宇宙奥秘，伽利略的工具是望远镜，霍金的工具则是高度形式化的数学，这也反映了300年间物理学研究方法的巨大转变。

就物理学思维而言，伽利略已经站在了时代最前列，他是最早尝试用数学语言描述物体运动规律的科学家之一，比如用坐标描述抛射物体的运动轨迹。用数学定量描述物体运动的思想后来被牛顿发扬光大，发展出了以微积分为数学。

对于伽利略和牛顿那个时代的物理学家来说，物理学研究的基本方法就是先做实验记数据，然后尝试用数学方程来描述和归纳实验结果，最终总结出一般性的物理理论。举个简单的例子，我们让一个小球自由落下，测出小球下落的距离和落地的时间，发现距离和时间的平方是成正比的，那么就不妨用一个数学公式来描述这种自由落体运动：

数学公式描述自由落体 距离和时间的平方成正比| keisan.casio.com

然而，经过3个世纪的发展，数学在物理学中的地位大有反客为主之势。物理学家将以前的研究方式颠倒了过来，开始从数学结构中推导出物理理论，最后再用实验结果来检验。广义相对论中的爱因斯坦场方程就是非常典型的例子，不像上面的自由落体公式，这个复杂的方程没有参考实验数据，几乎完全是从数学变换中构造出来的。要是让两三个世纪前的物理学家来看这个公式，即使能搞懂所有的数学符号，他们恐怕也只会认为这只不过是数学家的奇技淫巧，脱离了我们的现实世界。

墙上的画表现光线受引力作用弯曲，下方的公式就是爱因斯坦场方程 | Wikimedia Commons

出乎意料的是，后来物理学家发现，爱因斯坦场方程真的能够描述宇宙中的引力场，黑洞的概念就来源于这个方程的一个解。霍金的主要成果之一，彭罗斯-霍金奇点定理讨论的也是方程解的一类特殊问题。除了黑洞以外，爱因斯坦场方程还预测了引力波的存在，并最终在2016年得到了证实。经过3个世纪突飞猛进的发展，数学在物理学中的地位已经达到了前所未有的高度，从单纯用来记录和拟合实验数据的工具最终化身成为发现物理规律的重要依据。

霍金（左）与彭罗斯（右）

彭罗斯因对黑洞的研究荣获2020年诺贝尔物理学奖 | IAI TV

迈向科学时代

在伽利略逝世和霍金出生相隔的300年间，人类社会发生了多次科学革命，对待科学技术的态度也发生了根本性的转变，从伽利略和霍金的作品受到的待遇上就可以非常明显地看到这一点。

伽利略所处的时代对他的科学探索并不友好。那时候科学还没能从哲学和宗教中完全分离出来，相比起实验结果，主流思想界更愿意相信古希腊的先哲和《圣经》。

为了宣扬哥白尼的日心说理论，伽利略完成了天文学著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（以下简称为《对话》）。这本书采用了对话体的形式，书中的两名角色分别为伽利略和亚里士多德学派的代言人，对地球的自转和公转、潮汐等科学问题进行了辩论。说是对话，其实也就是伽利略借用别人的口吻来反驳亚里士多德的观念。书里亚里士多德的代言人辛普利丘(Simplicio)漏洞百出，而伽利略的代言人萨尔维奥蒂(Sagredo)则是据理力争。

《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》 | Wikimedia Commons

因为宣扬地球不是宇宙的中心，《对话》出版没几个月就被教会列为禁书，伽利略本人被传讯到宗教法庭审判，最终被判处终身软禁。这是科学史上最臭名昭著的审判之一，直到3个多世纪后，罗马教皇才为伽利略正式平反，代表教会承认当年对伽利略的判决是不正当的。

表现伽利略被教会审判的油画 | Wikimedia Commons

与伽利略的遭遇形成鲜明反差的是，霍金的科普作品《时间简史》直至今日仍然是人类社会最畅销的读物之一，书中描述的浩瀚宇宙与背后的物理规律让无数人着迷。不仅《时间简史》成为了一种流行符号，霍金也成为了当代物理学的代言人之一，甚至每当霍金发表关于人类社会或外星生命的观点，都会引来人们的关注和争论。《时间简史》的风靡和霍金受到的尊崇也侧面反映出当代人类社会对未知世界的好奇与对于科学事业的关注。

《时间简史》 | Wikimedia Commons

事实上，把伽利略的《对话》放到今天出版，假如能抛去落后于时代的表述方式，这本书同样是一本不错的科普作品。书里没有冗长的证明，而是以你一句我一句的对话形式证明了地心说的荒谬。伽利略也可能像霍金一样成为受大众喜爱的物理学家，而绝不是被某个国家机器审判和软禁。社会主流对待科学思想与科学家的态度可能是伽利略和霍金所处时代最本质的差别之一。

一脉相承的科学家精神

抛开伽利略和霍金的学术成就，如果将更多关注点放到他们的生平事迹上，两人在科学探索中表现出的精神属性同样值得后世铭记。

伽利略能在思想封闭的大环境下取得突破性的成就，核心原因之一就是他绝不迷信权威。在伽利略看来，不管你是教皇还是亚里士多德甚至是《圣经》中的上帝，如果你的理论和我的观测结果相悖，那么我就要向你提出质疑。教会的审判和软禁更使他成为遭受不公待遇的代表科学家之一，提高了他在人类科学史中的地位。

油画中面对罗马宗教裁判所的伽利略（右一） | Wikimedia Commons

对于霍金而言，他对抗的不是钳制思想的教会，而是压榨生命的病魔。霍金年轻的时候患上了罕见的渐冻人症，病情最终恶化为全身瘫痪，他只能依靠机器表达自己的思想。即使是在如此恶劣的身体条件下，霍金仍然凭借顽强的意志在理论物理学领域做出了突破性贡献，并致力于将科学传播给更为广泛的大众。

霍金没有被病魔击倒 | Wikimedia Commons

霍金本人在《时间简史》里写道，“我对伽利略之所以有一种强烈的认同感，其部分原因是刚好我出生于他死后的300年！”一位是近代科学的先驱者，一位是现代宇宙学的天才理论家，伽利略和霍金不仅在逝世和出生日期上有着奇妙的巧合，两人的科学成就、科学思想和科学精神也是物理学家中当之无愧的典范。

参考文献

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

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

[3] Singer, C. (1941). "A Short History of Science to the Nineteenth Century". Clarendon Press: 217.

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

[5] 吴国盛.科学的历程[M]. 长沙：湖南科学技术出版社，2018.

作者：矩阵星

原标题：《霍金在伽利略逝世300年后出生，今天分别是他们的生日和忌日》

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