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霍金,我还欠你一本《时间简史》

酸甜小萝卜 2018-04-07 21:41:40

3月14号,霍金去世了。在轮椅上去世了。


许多人对霍金的印象还仅仅停留在小学六年级那篇《轮椅上的霍金》,是的,是语文课本,并不是中学物理课本!当时学习霍金的也并不是他的宇宙三大理论,而是正如文章标题,讲述一个身残志坚的,身体躺在轮椅上,但是思想却已抵达宇宙最深处的科学巨人。之后霍金再次出现在全人类的视野,是伦敦2012年奥运会开幕式上了,还是那个轮椅上的霍金,还是那个宇宙之王。

斯蒂芬·威廉·霍金,出生于英国牛津,英国剑桥大学著名物理学家,现代最伟大的物理学家之一、20世纪享有国际盛誉的伟人之一。 霍金21岁时患上肌肉萎缩性侧索硬化症,全身瘫痪,不能言语,手部只有三根手指可以活动。而其一生最伟大的著作《时间简史》,已被翻译成40种文字,累计销售量达2500万册,成为一本畅销全世界的科学著作,据不完全统计全球平均每750个人中就有一本《时间简史》,霍金的一位博士后学生半开玩笑地评论说,“霍金的书,比麦当娜谈性的书还好卖”。尽管如此,但是许多买了此书的人,对全书的理解也仅仅是停留在一开始的笑话上!



一位著名的科学家(据说是伯特兰·罗素)曾经作过一次天文学讲演。他描述了地球如何围绕着太阳公转,而太阳又是如何围绕着称之为我们星系的巨大的恒星集团的中心公转。演讲结束之际,坐在房间后排的一位小个老妇人起立说道:“你讲的是一派胡言。实际上,世界是驮在一只巨大乌龟背上的平板。”这位科学家露出高傲的微笑,然后答道:“那么这只乌龟站在什么上面的呢?”“你很聪明,年轻人,的确很聪明”,老妇人说,“不过,这是一只驮着一只,一直驮下去的乌龟塔啊!”



以下三点也是霍金在《时间简史》中最核心的学术思想,同时也是现代人类探索宇宙的科学基石,就让我们一起站在巨人的肩膀上,再好好的看看远方的宇宙!

 一、奇点定理

霍金和彭罗斯利用严谨的数学方法证明了,如果广义相对论是正确的,而且宇宙中的确有我们观测到的那么多物质,那宇宙一定诞生于一个奇点之中。

 1. 宇宙不是静态的,而是在不断地膨胀 埃德温·哈勃等科学家发现,宇宙中的绝大部分星系都在远离地球而去,而且离地球越远的恒星,离开地球的速度也越快。这意味着,宇宙就像是气球一样,在不断地膨胀。

 【案例】 爱因斯坦曾经认为,宇宙应该是静态的。为了维持静态宇宙的假设,他还在自己的方程里加上了一项“宇宙常数”,这被称为“爱因斯坦一生中最大的错误”。

2. “奇点定理”意味着在广义相对论框架内,宇宙必然有一开端 “奇点”是体积无限小、弯曲程度无限大、密度无限大、引力无限大的点。宇宙就诞生于“奇点”之中。

 【案例】 宇宙膨胀的发现意味着,在很久以前,宇宙必然比现在小,所有的物质都会紧紧地集中在一起。霍金和彭罗斯证明了,如果我们把时间往前推150亿年,那所有星系之间的距离都是0,宇宙必然诞生于“奇点”之中。

 二、无边界宇宙模型

在描述宇宙历史的模型中,“宇宙大爆炸”模型是当前的主流理论,但这一理论目前无法解决宇宙起源问题。霍金因此把量子力学和相对论结合起来,提出了“无边界宇宙模型”,试图解决这一问题。

 1. 宇宙大爆炸模型无法解决宇宙起源问题 在宇宙大爆炸模型中,宇宙诞生于“奇点”。但包括广义相对论在内的所有物理定律,都会在奇点处失效,因此人类无法直接研究奇点,这就为上帝的存在留下了空间。

【案例】 在大爆炸模型中,物质、空间和时间,都是大爆炸之后才出现的。大爆炸之前的任何事件,对于我们来说都没有任何意义,或者说根本就不存在。也就是说,宇宙时空并不是无限的,而是有一个边界和开端。

 2. 在“无边界宇宙模型”中,宇宙没有起源和开端 在“无边界宇宙模型”中,宇宙是“有限无界”的,没有边界和奇点。霍金认为,这个宇宙是完全自给自足的,不受任何外来事物影响,没有创生和消灭的时刻,它就是存在本身,不需要上帝来创造它。

 【案例】 “无边界宇宙模型”里的宇宙,是一个空间和时间交织在一起所组成的四维宇宙。在这个宇宙中,时空就像是地球的表面,在范围上是有限的,但却没有形成边界,也没有形成奇点。科学规律在任何一个时空点上都适用,不会发生崩溃。

三、霍金辐射 “霍金辐射”也就是“黑洞辐射”

霍金利用量子力学中的“不确定性原理”提出,黑洞也会发出辐射,并不是完全黑的。

 1. 黑洞引力极大,连光都不可能逃出黑洞 当恒星的内部燃料耗尽之后,在自身的引力作用下,就可能坍塌成黑洞。黑洞质量大,体积小,引力极高,任何物质,包括光在内,只要进入某个临界区域,就永远不可能逃出黑洞。

 【案例】 黑洞吸引一切的性质,跟热力学第二定律产生了冲突。所有有温度的物体,都应该发出辐射和粒子,但如果连光都逃不出黑洞的引力,黑洞怎么能发出辐射呢?

 2. 霍金利用“不确定性”原理提出了“黑洞辐射” 霍金提出,黑洞的边缘在一刻不停地产生成对的粒子,其中带有负能量的粒子会被吸到黑洞里去,但还有一些带正能量的粒子,可以从黑洞的边缘逃脱。在外界看来,就好像是黑洞在不断地向外发射粒子,这就是黑洞辐射,也叫“霍金辐射”。

 【案例】 在“不确定性原理”的限制下,即使是看似毫无一物的虚空,在微观上也是波澜起伏的。会不断地产生成对的粒子和反粒子,再碰撞到一起发生湮灭。



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