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科技日历丨霍金逝世2周年 回顾他给世界留下的宝贵知识财富
2020-03-15 11:56 前瞻网   

 

2年前的今天,世界著名物理学家典型斯蒂芬·霍金逝世,全球举行了盛大的哀悼仪式。作为“身残志坚”的典型人物,在身患渐冻绝症、无法动弹的情况下,霍金顽强乐观地生活,并将余生投入对人类未知领域的探索中,值得敬佩。今天,我们就来回顾一下,霍金给人类留下的宝贵科学财富:

1、 奇性定理

在广义相对论提出后不久,德国物理学家卡尔·史瓦西根据广义引力场方程,计算出了给定的真空静态球对称近似平直时空下的解,即史瓦西度规或史瓦西外解。这个解有个特殊之处——其中有2个发散点(简单说就是出现无穷大),其中一个可以通过坐标变换消除,但还有一个r=0点无法通过坐标变换消除。

史瓦西外解意味着,当一个静态球对称的大质量天体发生引力坍缩到一定半径以内时,会出现任意方向上光速都无法逃逸的边界,也就是后来说的黑洞视界。

上世纪20年代后期,美国物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡根据泡利不相容原理提出,大质量天体发展到末期发生引力坍缩时,会产生一个向外抵御引力坍缩的压力,但当引力坍缩的压力超过1.44倍太阳质量时,该天体就会继续坍缩。

随后在30年代,尤利乌斯·奥本海默根据刚刚发现的中子,提出了中子简并压理论,当天体质量超过奥本海默极限,理论上就不会有任何作用力能阻止引力坍缩了。

这些研究一致指向,宇宙中的天体坍缩后,会形成物质密度极高、空间无限压缩弯曲、物质体积被压缩得非常小的点,也就是奇点。

后来,苏联数学家弗里德曼以及其学生美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫相继将时间引入奇点概念,形成了物理学意义的奇点,并提出了热大爆炸模型,也就是我们熟知的“宇宙大爆炸”。

紧接着,英国数学家彭罗斯证明了任何足够质量的天体在引力坍缩后都必然产生奇点,这种坍缩产生的奇点称为时间的终点;霍金则把彭罗斯的引力坍缩过程反过来,用来解释宇宙的膨胀,提出了所有宇宙膨胀过程始于一个奇点的理论,这种奇点称为时间的起点。2人的研究共同证明了奇性定理,现在的宇宙膨胀相的开端,时空被高度地畸变,并且具有很小的曲率半径。

凭借这一成就,他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。

2、 霍金辐射

在黑洞理论提出后,物理界出现了一个难题:如果把有很多熵的东西丢进黑洞里,那熵是否被消灭了?但是从理论说,熵在宇宙里是永增不减的,所以黑洞应该有很多熵,而有熵的任何东西都会释放黑体辐射,因此黑洞也会释放黑体辐射?这就和过去黑洞“吞噬一切”的理解相悖。

霍金根据量子效应理论提出,黑洞会发射精确的黑体辐射,这一电磁辐射仿佛被一个温度和黑洞的质量成反比的黑体发出。根据这一解释,霍金后续提出了黑洞质量降低并蒸散的理论。

3、 无边界条件

霍金在1981年提出了自洽又自足的宇宙“无边界”理论,甚至一度导致他和发妻离婚。

在研究奇点问题时,由于广义相对论此时会失效,霍金引入了量子论。在提出奇性理论后,他又根据量子论中微观粒子具有类似波的性质这一点,将宇宙整体坍缩用波函数表示出来。

这时候,霍金提出,宇宙的边界条件就是宇宙没有边界。他认为,认为,宇宙之初流逝的并不是普通的时间,而是虚数时间,也就是说,宇宙始于时间与空间没有任何区别的状态。只有当普通的时间,也就是实时间在某一时刻开始流逝之后,宇宙才开始了急剧膨胀。

2012年,剑桥大学理论物理学家陈中源通过一个方程严格证明了霍金的无边界猜想,也就是说,宇宙没有边界,没有无中生有,没有创生和毁灭,它彻底自洽自足。这就彻底解决了曾经困惑牛顿等人的“第一推动力”问题,否定了“上帝”的存在。

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责任编辑: 3976DBC

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