史蒂芬·霍金作品

✍ dations ◷ 2024-12-23 04:44:28 #史蒂芬·霍金,物理学史

史蒂芬·霍金,OCH,CBE,FRS,FRSA,是英国著名物理学家,剑桥大学理论宇宙学中心(英语:Center for Theoretical Cosmology)研究主任。霍金对于理论宇宙学做出重要贡献,特别是对于黑洞奇点、霍金辐射的研究。

霍金先后与不同学者合作提出多项学说,改变了人类对宇宙诞生的看法。他与潘洛斯共同建构的奇性定理阐明,宇宙必须有一个初始奇点,时间与空间就是从这初始奇点开始演化。这定理肯定了同时代其他学者开创的宇宙大爆炸理论,推翻古典物理学有关时空是永恒存在的稳恒态理论。霍金进一步在创建的“宇宙无边界论”里指出,“宇宙的边界条件应该很特别,有什么条件会比无边界条件更为特别?”他认为,所有值得纳入总合历史计算的宇宙模型都会弯曲回自己,这种模型不需要设定边界条件或像奇点一类的奇怪初始条件。:31-32, 61:234

在黑洞研究方面,霍金发现,黑洞并非完全漆黑一片,黑洞会发射出一种辐射(后来被称为霍金辐射),这种辐射的辐射出射度与黑洞质量成反比,对于宏观黑洞,辐射出射度很微小,但由于原生黑洞是在宇宙初期温度非常炙热时的产物,辐射出射度很大,因此质量消耗很大。有些原生黑洞的寿命跟宇宙年龄相等,它们的质量如果没有耗尽,则会在近期耗尽,这会造成非常稀有但可观察到的黑洞蒸发现象。:60-69

在古典物理学中,一般相信时间和空间,是一个独立于自然界的概念,可以永久存在,但1915年,爱因斯坦发表广义相对论中提出,时间和空间并非绝对,不是独立于事件的背景,因此,学者对于时间的看法彻底地转变。

爱德温·哈伯在1920年代使用100英寸虎克望远镜观察天文时,发现恒星并非均匀分布于整个空间,而是聚集在星系里。他又发现,几乎所有星系都出现红移现象,即随着时间流易,它们离地球越来越远,而且星系离地球越远,离开的速率亦越快(这就是著名的哈伯定律)。这项发现带来新的问题:在更早的时候,所有星系是否离地球更近,宇宙是否有一个的开端?:15-18

在那时,很多物理学者尝试解释这种现象。英国学者赫尔曼·邦迪、汤马士·戈尔德和霍伊尔提出的稳恒态理论阐明,在任何时刻,宇宙的状态在过去、现在与未来都很相像,持续地扩展,而新生物质也会持续地填补扩展所形成的空间。这理论要求新物质的持续生成率大约为一个粒子每年每千米立方。稳恒态稳恒态理论不严格要求宇宙必需具有开端,这一点与大爆炸理论不同。:26-27

俄国学者叶夫根尼·利夫希茨和艾萨克·哈拉尼科夫(英语:Isaac Khalatnikov)则提出,当今处于膨胀阶段的宇宙可能不是开始于大爆炸,而是延续先前处于塌缩阶段的宇宙。实际而言,微扰会使黑洞的奇点变得不稳定,因此,在宇宙塌缩的过程中,很可能因为微扰而使得奇点无法形成,所以,不是所有物质都会塌缩至一个奇点,密度不会变得无限高,这样可以避免宇宙有开端的说法。:27-29:455ff

贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊于1964年测量到具有各向同性、温度为2,7K的宇宙微波背景辐射。根据大爆炸理论,早期宇宙必定非常酷热与致密,随着宇宙膨胀,辐射应该会大幅度红移,波长变长、频率降低,至今变成微波。因此,这发现为大爆炸理论提供了有力的证据,并且彻底摧毁了稳恒态理论。:20-21

在这之前,霍金已对稳恒态理论持怀疑态度。当时潘洛斯正在研究黑洞的奇点,他引入拓扑学方法来研究黑洞,并且理论证明利夫希茨和哈拉尼科夫的论述有误:在每一个黑洞的中心必定存在着一个奇点;在那里有无限高的密度、无限强的引力、无限大的时空曲率。霍金设想,若逆着时间回至宇宙诞生之时,全部物质聚成一点,这亦即为奇点。霍金应用潘洛斯的方法成功证明,如果广义相对论正确,宇宙具有足够物质,则在宇宙起源将会有一个奇点。:467:24-25

霍金的原本表述保证在宇宙起源会有一个奇点,后来,他改变了他的主张,他表示,实际而言,宇宙最初不存在奇点,这是因为广义相对论不是一个完整理论,在宇宙初始时期,早于普朗克时期,由于宇宙的尺寸非常微小,不能忽略量子力学的效应,只靠广义相对论来证明奇点存在是不正确的,必需使用量子力学及广义相对论合并而成的量子引力学理论来研究这论题。:53-54

在1970年以前,大多数物理学者认为黑洞只会吸进物质与电磁波,因此四周“漆黑”一片,黑洞的质量亦会随之上升。霍金于1974年指出,依据不确定性原理,宇宙真空并不是完全空无一物,由正能量粒子与负能量粒子组成的粒子对,会不停的生成,负能量粒子不能长久存在,是虚粒子,它必须与正能量粒子在短暂时间内相遇,因此相互湮灭,这样才不会违反能量守恒定律;假若有虚粒子对出现在黑洞的事件视界外的邻近区域,而其中负能量粒子被吸入黑洞,并且从强劲的引力场获得能量,则正能量粒子就能够自由逃逸,因此,能量会被辐射出去,黑洞质量会逐渐减小,最终会消失。假若黑洞质量越少,则辐射发射速率越快,加速黑洞的消失。这理论显示出,量子力学可以除去广义相对论所预测的奇点。或许,量子引力学理论也能避开这棘手的奇点。:60-69

这种从黑洞中释出的能量,被称为霍金辐射,由于辐射出射率极其微弱,物理学者无法从观察到它存在的确证。即使黑洞会发射出霍金辐射,其辐射出射率很弱,并且黑洞还会不停地从宇宙背景辐射吸收能量,这意味着只有当霍金辐射大于宇宙背景辐射时,黑洞的质量才会缓慢减少,并且必需要经过极长时间后,才能耗尽能量,造成蒸发。这并不意味无法观测到黑洞蒸发,有一种在宇宙初期形成的原生黑洞,由于温度很高,会发射出大量霍金辐射,有些原生黑洞的寿命大约与宇宙的年龄相等,此时此刻,如果尚未蒸发,它们很可能发射出大量伽玛射线。2008年美国国家航空航天局发射费米伽玛射线空间望远镜,它可以寻找原生黑洞在蒸发时所发射出的伽玛射线特征信号。根据额外维度理论,大型强子对撞机也有可能制成微黑洞。:60-69

比较相对论及霍金的学说的应用性,前者对引力及能量的描述,为人类带来核能发电,而霍金的宇宙论,尚未能直接应用于现代科技。但是,注意到适当尺寸的原生黑洞能够发射出功率达到10吉瓦的伽玛射线,假若在不久的将来,物理学者能够找到这类原生黑洞,并且发展出高端科技来利用这种能源,则黑洞学可以带给人类更多实质利益。:63-64

以下列出霍金的科普作品,内容主要是在论述观于宇宙、人类的问题。

霍金、女儿露希、博士学生克理斯托福‧高发德(英语:Christophe Galfard)共同撰写了一本书,之后,霍金、女儿露希又共同撰写了两本书

相关

  • 帕金森氏症帕金森病(Parkinson's disease,简称PD)是一种影响中枢神经系统的慢性神经退化疾病,主要影响运动神经系统。它的症状通常随时间缓慢出现,早期最明显的症状为颤抖、肢体僵硬、运动
  • 冬眠冬眠指的是变温动物、某些哺乳类动物和少部分的鸟类在寒冷的季节,会通过降低体温的方式而进入的类似昏睡的生理状态。灵长类动物如粗尾侏儒狐猴(Cheirogaleus medius)等亦可行
  • 低俗小说《低俗小说》(英语:Pulp Fiction)是一部1994年美国黑色幽默犯罪片,为昆汀·塔伦提诺执导与编剧,故事则由塔伦提诺和罗杰·艾弗瑞(英语:Roger Avary)构想。电影充斥着脏话、幽默和暴
  • 湿婆教湿婆教(梵语:शैव पंथ,śaiva paṁtha,英语:Shaivism,Shaivam),又称湿婆派、希瓦派,原义是与湿婆合一,是印度教中四个最主要教派之一,尊崇湿婆为最高的神明。它的信徒被称为希瓦(Sh
  • 囊鳃鳗目囊鳃鳗目(学名:saccopharyngiforms)为辐鳍鱼纲的一个目,为真鳗的近亲,但是有很多内部结构上的差异。囊鳃鳗目包括了月尾鳗科、宽咽鱼科、单颌鳗科、囊鳃鳗科四个科以及一个提议并
  • 红绒鲉红绒鲉科是辐鳍鱼纲鲉形目的一个科。旗下仅有一属一种,即红绒鲉(),为温带海水鱼,分布于澳洲西部、南部及塔斯马尼亚岛,为特有种,体长可达30公分,栖息在近海底层水域,生活习性不明。
  • 印第赛车印第赛车(英语:IndyCar,又译印地赛车)是一设立于美国开轮式赛车的认证机构名称。印第赛车目前认证三种系列赛,第一种是IZOD印第赛车系列赛。它的前身源于1996年的印地赛车联盟(Ind
  • 方济各·安霖泽方济各·安霖泽(英语:Francis Arinze;1932年11月1日-)是尼日利亚籍天主教主教级枢机、韦莱特里-塞尼罗马城郊教区领衔主教及圣座礼仪及圣事部荣休部长(英语:Congregation for Divin
  • 杰米·福克斯埃里克·马龙·毕晓普(英语:Eric Marlon Bishop,1967年12月13日-),艺名杰米·福克斯(Jamie Foxx),美国男演员及歌手。在演艺方面,因《灵魂歌王》中的演出获得奥斯卡金像奖及英国电影学
  • 艾克特·吉玛艾克特·吉玛(Hector Guimard,1867年3月10日-1942年5月20日)是法国里昂出身的建筑师,新艺术的代表者之一。较知名的作品是巴黎地下铁车站的出入口。巴黎将地下铁车站的出入口致赠