史蒂芬·霍金简史

在他20岁出头的时候，霍金教授被诊断出患有一种罕见的神经系统疾病，称为运动神经元疾病(MND)。他患上这种疾病的年龄非常小，这种疾病通常发生在六七十岁的人身上，通常会在几年内致命。然而，尽管被诊断出患有这种疾病，斯蒂芬·霍金还是成功地活了下来，并与疾病作斗争，活到了76岁。乔治亚·米尔斯采访了在伦敦国王学院和剑桥巴伯拉罕研究所研究运动神经元疾病的杰米·斯里德哈兰。

Georgia -你能告诉我们什么是运动神经元疾病吗?

运动神经元疾病是一种大脑和脊髓的破坏性退行性疾病。它主要影响运动神经，这就是为什么它会导致瘫痪;人们无法呼吸，移动和吞咽，所以这是一种相当衰弱的疾病，目前还没有治愈方法。

乔治亚-我们知道是什么引起的吗?

杰米:在大约10%的病例中，我们知道有导致这种疾病的基因。目前，我们正试图弄清楚这些基因是如何对神经细胞造成损害的。在另外90%的病例中，病因尚不清楚。患者往往是完全正常的，没有以前的家族史，没有以前的健康问题。

格鲁吉亚-发生了什么?运动神经元神经受到影响，那么患有这种疾病的人到底会发生什么呢?

Jemeen -这些神经供应的肌肉对吞咽、说话、呼吸和运动都很重要;因此，所有这些过程都会受到影响，不同的人会有不同的症状。如果它影响腿部肌肉-行走困难，以及手部肌肉-例如转动手柄或转动钥匙困难。如果它影响到我们所说的球肌，就会导致说话和吞咽问题。患者通常会出现思维障碍、行为改变和语言改变。尽管，总的来说，关于MND最引人注目的事情之一是病人能感觉到，他们能看到，他们仍然有肠道和膀胱的功能，然而，出于某种原因，只是运动神经似乎死了。

乔治亚-我们知道是什么杀死了他们吗?

杰米:是的，这是一个非常重要的问题。我们可能会想到的一件事是运动神经的大小。如果你想象一个人可能有两米高，运动神经可能有一米长。它是人体最大的细胞之一，上运动神经元必须从大脑向下到达脊髓，然后从脊髓到大脚趾，所以这是一个非常大的细胞。你必须以某种方式在你的一生中维持这个细胞这不是一件容易的事情。

乔治亚-我明白了。所以你体内需要保持完整的绳索，如果断裂了，就这样吗?

杰米:是的。它们可以再生，例如，如果你的手臂受伤了，神经可以重新长出来。在运动神经元疾病的情况下，它们不会长得那么好。

乔治亚-你说过没有解药。有什么治疗方法吗?

杰米恩:英国目前正在使用一种叫做利鲁唑的药物，我们的大多数病人都在服用这种药物。世界上还有其他正在开发的药物在其他国家获得了许可。它们对疾病进展的影响相对较小，因此，目前，我们正在努力尝试和开发真正有效的疗法，以更有效的方式减缓疾病进程。

乔治亚州-这种疾病是你在实验室里研究的，所以你是如何调查的?

Jemeen -我们使用许多不同的工具。最近我们做了一个果蝇模型——果蝇。最近我们做了一个老鼠模型这是一个全新的运动神经元疾病模型，它会导致痴呆这很有趣，因为我们知道，在人类中，MND和额颞叶痴呆有很多重合。这是一种相对不被重视的东西，但我们现在认识到了。

这只老鼠与其他老鼠模型完全不同，因为我们没有故意让动物病得很重，这是一般的方法。我们所做的就是复制人类的状态。我们已经做了30亿分之一的基因改变，这使得它基本上看起来像人类，因为老鼠有和我们一样的蛋白质。我们在这些动物的大脑中发现，它们的某些神经细胞发生了变化，你通常不会想到这些变化与运动神经元疾病有关。

乔治亚-当科学家研究疾病时，他们通常会把这种疾病放在老鼠身上——我们称之为模型，你所做的是让它更接近于人类的表达方式，而不是老鼠的表达方式?这告诉了你什么?

杰米:它告诉我们，最重要的是蛋白质通常通过非常复杂的体内平衡机制来调节一种表达。在这只老鼠身上，我们看到这些蛋白质水平实际上高于正常水平。我们并没有试图增加蛋白质的含量，但是突变导致蛋白质失去了调节的能力，这导致了整个连锁反应。因为它通常的作用是调节其他基因的表达所有这些都出错了我们发现这种蛋白质越多，其他基因的表达就会出错越多。其中一个基因恰好是编码“tal”的基因这是一种蛋白质与阿尔茨海默病有关，以前从未被发现过。

Georgia:听起来你像是在拼凑拼图，这是否意味着现在我们知道蛋白质出了问题，我们可以用药物来针对它?

杰米:我们现在要做的是弄清楚这是否与人类有关，但我们认为它是。原因是这种蛋白质是高度保守的，这意味着它和人类的完全一样。我们现在正试图用人类干细胞来证实这一发现，如果是这样的话，那么我们就可以瞄准它了。

这很复杂，因为蛋白质TDP 43太多是不好的;它太少也是不好的，所以我们不能找到减少表达的方法。我们必须非常小心如何平衡这种表达水平，我们必须尝试在神经系统中具体做到这一点。这种蛋白质遍布全身，但似乎是大脑和脊髓是特别脆弱的。

由于他的运动神经元疾病，斯蒂芬·霍金已经有了有限的语言能力。但是，在1985年，当他感染了一种几乎致命的肺炎时，为了挽救他的生命而进行的气管切开术同时剥夺了他说话的能力。然而，他的科学交流能力无疑是他最突出的特点之一。语音合成器系统使这一切成为可能，最终成为他最强大的商标之一。克里斯·史密斯采访了拉马·纳赫曼，他是英特尔公司的预期计算主管，他开发了辅助计算机系统，使霍金能够与世界互动……

克里斯-史蒂芬·霍金是如何使用他的第一个语音技术的;它是如何工作的?

最初，在他失声后，他使用拼写卡片一段时间，他基本上只是用他的眉毛来表示是和不是。还有一个早期的软件是由一个叫做Word Plus的公司开发的，这个软件叫做均衡器。基本上，它允许他，用一个操纵杆，选择字母和完整的单词，这样他就可以说话了。除此之外，还有一款软件叫做Speech Plus。它从第一个系统中获取输出，并通过模拟语音合成器进行输出。到目前为止，这是他一直在使用的语音合成器。原因是他真的把那和他的声音联系起来了。所以，一直以来，在所有的技术和所有的改进下，他继续使用那个软件来进行实际的语音合成。

Chris -他一开始是如何控制系统的?随着他的病情的发展，这又会发生怎样的变化?

喇嘛-最初，他能够使用他的手和控制一个操纵杆。然而，在2008年，他不能再这样做了，因为他的手不够强壮。所以他当时的技术助理设法拼凑了一些不同的，现成的组件，并建立了这个传感器系统，他把它连接到他的眼镜上。它本质上是一个红外传感器，所以当你移动时，传感器会检测到你的移动。这和今天的手机类似，比如，当你把手机靠近你的耳朵时，它会检测到附近有东西。

克里斯-这是眼动吗?它是在寻找他移动眼睛或朝某个方向看还是只是在检测面部运动?

那是他脸颊的动作。当他的脸颊向上移动时，传感器检测到这个动作并发出信号，这基本上相当于按下按钮，他只是用脸颊按下按钮。

克里斯:然后呢，系统会呈现出他可能想说的东西，然后他会选择并慢慢地在一个列表上进行打磨，以构建单词、句子、短语等等?

喇嘛:没错。想象一个键盘，例如，字母继续被突出显示，当感兴趣的字母被突出显示时，他会移动他的脸颊，它会选择那个字母并把它放进去。有单词预测，所以他可以选择他想要选择的单词，如果出现，当他开始键入这些字母。

当他从原来的系统，从Word Plus，转移到一个叫做Easy Keys的东西，它允许他控制整个Windows界面。现在想象一下，除了点击一个按钮之外，你还可以以同样的方式模拟鼠标的移动。你将扫描整个屏幕，当你接近感兴趣的行时，他会点击。然后它会开始浏览这些列，当它到达感兴趣的列时，他会再次点击，这样他可以在屏幕上的任何点上点击，基本上，这允许他控制他的windows机器。

Chris -你，在英特尔，大约五年前参与进来;那你给派对带来的改变是什么?

2011年，他联系了英特尔，基本上，他的问题是他再也不能很好地控制他的界面了，部分原因是他很难非常可靠地移动他的脸颊并触发传感器。部分原因是整个系统太老了，他很难控制传感器，其他的一切，基本上都太慢了。

我们走出去，首先试图了解需要改变的是什么，通过观察他几个月，一个月，一个月，我们认为“我们可以做很多不同的事情”。有目光追踪，有脑机接口，所有这些革命性的方法都可以帮助他。当我们继续看这些东西时，他继续拒绝所有这些，其中一些对他不起作用，因为凝视跟踪无法锁定他的目光。脑机接口无法从他的大脑接收信号，他开玩笑说，也许他没有任何大脑信号可以测量!

通过这一切，我们意识到他并不是真的在寻找革命性的东西，他真正想要的是熟悉的东西。然后我们开始回到绘图板上，试图理解我们如何设计一个更有效的系统，但仍然看起来和感觉一样。我觉得这是我们要做的最难的部分。

克里斯-显然你的胜利是因为你让他保持沟通?

喇嘛:是的。我们花了几年时间，经历了很多失败，但在那之后，我想我们最终找到了保持外观和感觉不变的方法，但将许多使用鼠标完成的低效操作自动化。如果你想象一下，例如，有人想打开一个文件或类似的东西，这是没有意义的，认为这是一个完整的一系列鼠标点击，永远。相反，你只想让整个过程自动化，只给他一些选择。从本质上讲，那是一个“啊哈”的时刻，我们只是看了看他用他的机器做的每一件事，随着时间的推移，在引擎盖下建立了很多自动化，以使它更快。

另一部分是打字和交流，所以要和别人说话，这部分单词预测带来了巨大的进步。我们只是试图减少点击的次数，在这个东西预测他想要做什么之前，他需要做的是，以一种认识到他想要交流什么的方式来做。因为，当他试图与人交谈时，这与他想要输入文件、做研究或在网上搜索是非常不同的。

克里斯-你做得很好。和史蒂芬·霍金一起工作是什么感觉，他是个好客户吗?

喇嘛——他是非凡的。这可能是最令人惊奇的事情了。是一种自然的力量。他只是坚持;他一直在努力改进这个系统，并向我们提供所有我们需要的反馈，使其成为他可以使用的东西。

1988年，斯蒂芬·霍金出版了一本影响深远的科学著作，《时间简史》。这本书以多种语言出版，销量达数百万册。但许多人承认，这本书只看了前几页就没看完，因此被誉为史上最受欢迎的未读书籍。如果你也做过同样的事情，现在在南安普顿大学工作的前剑桥天体物理学家马特·米德尔顿博士有一本《时间简史》的简史，让你了解最新的情况……

我不可能公正地评价这本名著的内容和影响。《时间简史》是霍金教授的一种方式，让每个有好奇心的人都能接触到宇宙的奇观。它帮助塑造和激励了一代充满渴望的科学家，我认为自己是其中的一员。但是，无论如何，我将尝试通过告诉你我最喜欢的物理学探索的部分来打破他的名著。下面是《时间简史》的简史。

斯蒂芬·霍金对黑洞进行了广泛的研究——从奇点令人难以置信的本质到黑洞热力学的建立，在我们有任何证据证明黑洞存在之前，现在黑洞是观测天文学的主要支柱——从被超大质量黑洞拉开的热气体云到从伴星上剥离物质的小黑洞。最近，LIGO通过探测到两个旋转黑洞碰撞并合并的引力波，证实了它们的存在。我相信霍金教授也对我们可能很快就会第一次看到黑洞的前景感到兴奋。

世界各地的望远镜聚集在一起，创造了有史以来最大的望远镜——事件视界望远镜。黑洞附近的光的路径被引力弯曲，产生了一个阴影，我们可以用这个极高分辨率的仪器观察到

这种引力光弯曲——光的路径会受到引力影响的想法——在《时间简史》中被提出。这是广义相对论的直接结果，广义相对论预言光和物质的路径都受到大质量物体的影响。它现在被广泛应用于“透镜”领域，即大质量物体或物体集合(如星系团)可以弯曲周围的光。当它们相交时，它们会放大光线，因此我们可以探测和研究非常遥远的物体。这项对遥远天体的研究与BHoT的其他主题有很好的联系，尤其是宇宙的膨胀。

通过观察来自遥远星系的光与你在实验室里看到的光是如何移动的，埃德温·哈勃证实了星系(几乎全部)正在远离我们——一个值得注意的例外是仙女座星系，它将在40亿年后与银河系相撞。宇宙正在膨胀的认识仍然是人类历史上最重要的认识之一。

向后推不可避免地会得出一个时间点，在这个时间点上，宇宙的所有质量都被包含在一个极小的空间里——宇宙由此产生的空间和时间的爆炸被称为“大爆炸”。斯蒂芬·霍金在这个概念上做了大量的研究，自然它在《时间简史》中占据了重要地位

当我们观察大爆炸的残余光和辐射——也就是宇宙微波背景辐射——在我们观察的任何方向上，波动都非常小，我们知道宇宙曾经非常紧凑，并且膨胀得非常非常快。当我说快的时候，我们可以算出它在1亿分之一的万亿分之一秒内膨胀了10倍⁵⁰这个数字太大了，我甚至没有时间说出来。

事实上，这种“膨胀”比光速还要快——但不要惊慌，宇宙的膨胀并不一定要服从光速。我们认为这种膨胀归结于一种神秘的东西，叫做真空能量(也称为暗能量或精华)。

我非常喜欢《时间简史》的一点是，它不仅仅是关于科学的;这也是一个关于发展和我们在这个美丽宇宙中的位置的故事。史蒂芬·霍金自始至终展现了人类的视角，引导我们从托勒密的宇宙观(地球是中心)，到哥白尼的日心说，直到我们在宇宙中根本不存在一个特殊的地方。

虽然这听起来有点悲观，但我们应该感到欣慰的是，宇宙可能正好适合生命的发展——这被称为人择原理。如果宇宙不能支持生命，那么我们可能就不会有恒星和星系，人类可能永远不会从原始的沼泽中拖出来，最令人沮丧的是，宇宙可能会被史蒂芬·霍金这样的人所否定，我们可能根本就不会有《时间简史》……

斯蒂芬·霍金最早的作品考虑了黑洞，并最终导致他发现了黑洞的辐射，这被称为霍金辐射，以纪念他。但他对令人困惑的宇宙的探索并没有止步于此:他一生都在继续探索宇宙的运作。克劳迪娅·德·拉姆是伦敦帝国学院的理论物理学家，她接受了克里斯·史密斯的采访。

Chris - Claudia, Andrew Pontzen之前很狡猾地让你知道他提到了“信息悖论”，我们说过我们稍后会讨论这个问题。现在轮到你了，拿起指挥棒，告诉我们这是什么，以及为什么它与斯蒂芬·霍金有关?

克劳迪娅-正如安德鲁提到的，霍金最大的发现之一是黑洞可以辐射，所以它们可以蒸发;随着时间的推移，它们会失去能量。这意味着如果黑洞蒸发，在有限的时间后，它们就会消失。那里没有黑洞了。这就导致了物理学中最大的悖论之一，即信息丢失悖论，因为通过霍金辐射泄露出来的信息是最小的。

你能解释一下你所说的“信息”是什么意思吗?

克劳迪娅-当你有一个黑洞，东西可能会落入黑洞。它们可能是恒星，可能是其他行星，可能存在一个完整的文明，所以它们编码信息。就像一本书会对信息进行编码一样，我们有关于恒星内部情况的信息。就当它是知识吧。这里有一些知识。

克里斯-这就像秩序?所以，在一个无序的宇宙中，你把物质喂进一个以某种方式有序组织的黑洞，不管这种方式是什么，所以它在吸收秩序?

克劳迪娅-它是在吸收秩序，但你可以把它想象成某种你送入黑洞的知识。现在，在你的日常生活中，当你的信息四处移动时，它可能会改变状态，但信息仍然是守恒的。所以如果你拿一本书——这是霍金的一个著名的类比——如果你把一本书烧掉，所有写在书里的单词的信息仍然存在。你需要非常努力地把它找回来，所以你需要分析所有的烟雾、温度和灰烬，但最终它还在那里，信息被保存了下来。它可能更难进入，但它仍然在那里。

克里斯-那么黑洞的问题是什么?

克劳迪娅-当黑洞还在的时候，你可能会想，信息是存储在黑洞里面的。也许你们无法接触到它，但是，物理学家们，这让我们很高兴，因为我们知道这里是信息存储的地方。但现在，如果黑洞能够蒸发并完全消失，那么信息去了哪里?这是最大的悖论之一。这不仅仅是哲学上的，不仅仅是我们想要保存信息，从量子力学的角度来看，信息应该在那里，那么它在哪里呢?

克里斯-所以少了什么?我们对黑洞工作原理的理解中是否遗漏了什么?是信息以其他方式从黑洞中泄漏出来，还是信息发生了其他变化来平衡这个方程，我们在某处漏了一项?像你这样的人认为这可能是什么原因?

克劳迪娅-没错。你应该成为一名理论物理学家!这正是人们在问自己的问题，答案是我们不知道。这仍然是一个悬而未决的问题，但霍金本人，在他的职业生涯中，试图提出不同的可能性。

当我2005年完成博士学位时，他发表了一篇革命性的论文;他认为他可能有一个答案，他必须承认一个新的配置。他使用了他职业生涯早期研究的量子引力的一些框架，根据量子力学的定律，你可以得到所有可能的几何形状的总和。虽然占主导地位的人可能会丢失信息，也许你需要考虑所有的人，所有人的总和，所有的信息都会被恢复。

这是一种可能性，但整个社区并不一定完全相信。后来他自己可能也不相信。

克里斯:那么，简而言之，我们能从霍金为像你这样的人所奠定的基础中学到什么?

克劳迪娅:在他的职业生涯中，他多次试图找到不同的方法来解决这个问题，找到不同的解决方案，但他从来没有完全满意过，我认为这是如何进行研究的巨大遗产。他真的把物理放在心上，远远超越了他的自我。他真的很想找到问题的根源，即使他最初可能认为自己有一个解决方案，他也会继续试图理解真正的解决方案是什么。

克里斯-他肯定是有毅力的，不是吗?

克劳迪娅-没错。