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霍金所想像的黑洞是什么样的

时间:2017-05-04 17:00:16 浏览量:
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斯蒂芬·威廉·霍金,英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授,当代最重要的广义相对论和宇宙论家,是当今享有国际盛誉的伟人之一,被称为在世的最伟大的科学家,还被称为“宇宙之王”。70年代他与彭罗斯一起证明了著名的奇性定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减。2012年1月8日霍金预言,地球将在千年内面临核战之类的大灾难,人类只有在火星或太阳系其他星球殖民,才能避免灭绝。

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40年前,20岁的霍金在申请攻读剑桥大学博士学位时,面临一个十字路口。一条道路通往微观世界的基本粒子,小得不能再小;另一条则遥指浩渺无穷的宇宙,大得不能再大。

40年后的今天,在霍金看来,这个十字路也许只指向同一个方向。但在当时,霍金的选择还颇费了一番周折。他自己回忆说:“研究基本粒子对我的吸引力较小,因为尽管人们发现了许多新的粒子,但还没有适宜的基本粒子理论。只是像研究植物学一样,把粒子分类而已。相反,在宇宙学方面,已经有了一个明确的理论———爱因斯坦的广义相对论。”

于是,他做出了自己人生最有决定性影响的选择,沿着爱因斯坦的足迹继续前进。如今,由于在理论物理学上的卓越贡献,那个曾经迷茫的霍金已经成为世界当代享有盛誉的伟大科学家。引领他进入宇宙学殿堂,取得丰硕成果的,正是人类历史上最伟大的科学家之一———爱因斯坦。

不过,霍金很快就在攻读宇宙学方向的博士学位过程中遇到麻烦。由于在牛津上大学期间没有认真学数学,他在做广义相对论的复杂计算时碰到障碍,研究迷失了方向。而他也在这个时候被诊断患上了肌萎缩性硬化症,一种罕见而且难以治愈的疾病。

这种疾病会影响控制运动功能的那部分大脑,当肌萎缩蔓延到全身后,就会引起瘫痪。不过,大脑的思维和记忆等高级功能不会受到影响。幸运的是,霍金研究理论物理学,真正需要的工具就是大脑。

霍金的博士学位也面临威胁。以他前两年多的研究进展,他很可能通不过博士学位的审定。而一次偶然的机遇,他的命运发生了新的转折。这使得他将可以成为霍金博士,而且从此走上超级科学明星的道路。

这本来可能只是一念之差。在参加完伦敦一个学术会议返回剑桥的列车上,霍金的同事们正在热烈讨论会议中的一个数学问题。而沉默的霍金将视线离开车窗,突然一个念头闪过:“如果将会议中的奇点理论应用于整个宇宙,不知道会发生什么情况?”

这个故事似乎在牛顿和爱因斯坦的身上都发生过。牛顿在想:“为什么苹果不会抛向空中,而是落向地面?”爱因斯坦则在思考:“如果人骑在光上飞行,将会看到怎样一个世界呢?”

进入21世纪的今天,“黑洞”已经成为融入大众词典的科学名词之一。但在20世纪60年代,了解并研究黑洞的科学家也并不是很多。爱因斯坦的广义相对论认为,宇宙不可能是稳定的,它不是在扩展就是在收缩。天文观测证实我们所处的宇宙正在膨胀,那么很久以前的宇宙一定紧密地挨在一起。更早的时候又是什么样子呢?爱因斯坦的方程式显示,宇宙必定产生于150亿年前一个密度无限大的点———奇点。它又被称为“宇宙蛋”,实际上也相当于一个黑洞。

在那时,全世界只有少数几个人相信黑洞或许真的存在,也只有几个人相信宇宙起源于一个奇点。黑洞成为霍金第一项真正的研究课题,这使他的博士论文得以通过。而进一步的突破,树立了他具有世界影响的声誉。

1973年初,霍金和那位在伦敦会议上提出奇点理论的物理学家一起,研究黑洞内部发生的事情。1974年3月1日,霍金在《自然》杂志上发表论文,阐述自己的新发现——黑洞是有辐射的。几个星期内,全世界的物理学家都在讨论霍金的研究工作。黑洞辐射被称为霍金辐射,这个新发现被认为是理论物理学多年以来最重要的进展。

在霍金辐射发表几个星期后,年仅32岁的他获得了作为科学家的极高荣誉,成为英国皇家学会的成员。这是皇家学会悠久历史上最为年轻的科学家之一。

然而,霍金在黑洞研究的基础上继续追根溯源。他在思考另一个问题:仅运用广义相对论,可以预言宇宙必定产生于150亿年前一个密度无限、体积为零的的奇点。如果将微观世界的量子规则加进来,这个预言将会发生什么变化?

这正是爱因斯坦后半生所追求的梦想———把量子理论和相对论统一成一个理论。爱因斯坦渴望清晰地揭示宇宙活动的奥秘,展示自然界的美丽和优雅。由于他所处的时代没有后来的一系列重大发现,结果没有找到统一的理论。

霍金发现,假如宇宙有一个特别简单的形式,那么就有一种方法简化计算。他提出一个模型,描述宇宙整个历史是一个完全弯曲的时空。1978年,由于这项工作他获得物理学界最有威望的大奖———爱因斯坦奖。嘉奖词称,霍金的研究将可能导致建立统一场论。

在《时间简史》的最后,霍金附上了伽利略、牛顿和爱因斯坦的传略。有人认为,这是霍金自命不凡,暗示他的名字将列入未来的“时间简史”中。而另一些人认为,霍金完全可以将自己和这3位伟大科学家并列。

霍金本人仍然在量子宇宙科学的世界里遨游———这也是爱因斯坦所梦想的地方。正如有人评论的那样:尽管他那么无助地坐在轮椅上,他的思想却出色地遨游到广袤的时空,去揭开宇宙之谜。

编辑:时雨
关键词: 黑洞
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