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黑洞不能吞噬的意志

鲲鹏驹的奇思怪谈 2021-06-29 14:12:20

前言:

既前杂文十二鲲鹏驹缅怀了著名化学家Breslow教授后,本期杂文十六我们又送走一位科学巨人霍金。

斯蒂芬·霍金(Stephen W. Hawking)作为影响世界,获“肌肉萎缩性侧索硬化症”却智商超群的英国理论物理学家,于2018314日去世。他用毕生的事迹与科学贡献书写了属于他自己的传奇故事。霍金也是畅销的科普作家,包括《时间简史:从大爆炸到黑洞》和《大设计》等,其中1988年的《时间简史》尤为出名。最近网上关于他的个人故事、科学研究等内容数不胜数。

鲲鹏驹在这里就班门弄斧,冒昧地对霍金的科学贡献进行一个小科普,当然,这里只是从一个非物理学专业的角度简要谈及最为基本的一些概念。谨从泛科学者的角度表个人敬意,欢迎批评指正。


 霍金与黑洞(组合自网络图片)

背景:

物理学一直是探索我们所处世界最基本的原理与规律。近代物理学是在两个基础“底座”上盖的双塔大楼,其一是爱因斯坦的相对论,其二是普朗克等人创立的量子力学。在此基础上,一系列伟大的物理学家将其扩建为高楼大厦,包括狄拉克、波尔、薛定谔、海森堡、德布罗意、杨振宁、费曼等。而本期的主角霍金也是其中之一。

在开始前,我们需要简单了解一下“黑洞”的概念。根据爱因斯坦的广义相对论,人们计算发现宇宙中存在一些特殊的区域,其质量非常大,引力无限强,可以使得光子都无法逃逸出去。故而,人类无法直接对其进行观察,也就给其取了一个现象的名字“黑洞”。虽然说无法直接观察,但人类还是通过其他间接手段验证了这一计算出来的特殊天体是真实存在的。黑洞的形成来自大质量恒星演化终期的坍塌,这今后可以另作百科介绍。

 

奇妙而恐怖的黑洞(来自网络图片)



黑洞的理论物理研究



下面我们进入正题,霍金的上世纪70年代提出的两个最主要学术贡献都和黑洞这一特殊天体直接相关。

 

主题一:奇点定理

此定理全称为彭罗斯(Penrose-霍金(Hawking)定理,由霍金于1970年提出。从广义相对论出发通过严密的数学运算证明在黑洞中必定有一个体积无限小密度无限大的奇点。不仅如此,霍金还进一步推论整个宇宙正是从这个奇点开始不断膨胀,历经150亿年后,最终形成我们目前的宇宙。这也就是我们所耳熟能详的“宇宙大爆炸”理论的雏形。这对于人类理解宇宙和黑洞具有重要意义。

黑洞的奇点定理(来自网络图片)


主题二:霍金辐射

霍金结合量子力学的原理于1974年提出黑洞居然在不断地向外辐射出粒子,这与黑洞吞噬一切的形象恰好相反。这种辐射过程被霍金形象化地描绘为“蒸发”。这种蒸发导致黑洞逐步损失其质量,直到最后一刻。黑洞辐射的发现来自量子力学与广义相对论的结合,也从能量的角度利用数学证明完善了黑洞理论。但是这种辐射目前尚未被直接探测得出。


黑洞的霍金辐射(来自网络图片)


除了以上两个主要贡献,他还求得了爱因斯坦重力方程式的两个奇点的解,分别命名为“黑洞”与“白洞”。传统理论认为黑洞有进没出,而白洞则“有出无进”。霍金同样曾经坚持认为进入黑洞的物体“信息将被彻底消灭”,1997年时其还因为坚持“摧毁一切说”和其他物理学家打赌。之后,他于2014126日提出的论据认为信息并非永久被封存在黑洞内部,而是保留在“事件视界”,即黑洞的边缘。当粒子从黑洞辐射出来时又会同时带走留着边界的部分信息,并自行保存。正是考虑到黑洞有粒子辐射,所以其不再适合称为“黑洞”,而应该改其名为灰洞。霍金也提出先前认为黑洞可以毁灭信息情报的观点是其最大的失误

不仅如此,霍金还对黑洞提供了很多创造性的理论或描述。作为最为棘手的研究对象,对于黑洞的研究更多是思想实验。例如黑洞里有什么,掉入黑洞将会怎么样等等。霍金提出黑洞可能是连接平行世界的通道,由于黑洞的强引力导致空间扭曲而可能延伸到另一个宇宙。

 


科学哲学观



此外,霍金还提出过新颖的科学哲学观。在《时间简史》出版20年后,霍金又和加州理工大学理论物理学家Leonard Mlodinow2011年合著了《大设计》一书。作为一部科普著作,该著作不仅陈述了现有研究,还对人类与宇宙提出了更加深刻的思考。打破了经典物理中“实在论”关于物质具有确定的速率、质量等性质,且不随观察者变化的观点。这种宏观现象是物质粒子在统计学上的反映,并不一定符合微观粒子的真相。“不确定性原理”就是其中的一个体现。

另一方面,人类的认识也是通过感官获取信息后思维处理后的产物。霍金认为人类从来都没有且不能“直接”获取客观信息,而所获取的信息都是人脑的处理器运作的结果。

总结起来,霍金提出了“依赖模型的实在论”以解答两千多年来“实在论”和“反实在论”的争端。该书提出没有绝对的“实在”,只有基于人类所建立模型的相对的“实在”。而人类认知世界的过程正是观察、建立模型并最终解释现象。所以不同的理论可以交叠地拼凑起来,形成最终的认知理论,也就是人类的“大设计”。

霍金的著作(来自网络图片) 


结语:

平行世界、时空穿梭、引力波、暗物质等一系列近现代研究成果的出现让理论物理学不断腾飞。我们在瞻仰这些成果的同时应当对理论物理学家们保持最崇高的敬意。正是以霍金为代表的物理学家们正是凭借自己的大脑与坚忍不拔的品质,穿越广袤的宇宙,带领人类去寻找那遥远的真相。


致谢:

本文主要参考维基百科相关词条、《柴知道》相关视频,并感谢多位小伙伴们的建议与意见。



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