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霍金“时间简史”拉上帷幕 留下哪些理论遗产?

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2018-03-14 19:03  来源:中国新闻网  
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  中新网3月14日电 2018年3月14日,物理学界一颗“巨星”陨落——被誉为继爱因斯坦后,最杰出的理论物理学家史蒂芬?霍金(Stephen Hawking),以76岁之龄与世长辞。

  霍金的主要工作都集中于上世纪60年代末70年代初黑洞研究大发展时期,他的早期工作对引力与黑洞领域起到了非常大的促进作用。

  其证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,提出了黑洞蒸发现象和无边界的霍金宇宙模型。在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。

  在轮椅上度过了大半生的霍金,从未停止探索宇宙的脚步,他用超人的思维揭示了一个又一个宇宙的奥秘,也为人类对世界的认识做出了许多重大推进,留下许多重要的理论遗产。

  1970年:引力坍塌和时空奇点

  霍金在70年代研究爱因斯坦的引力理论,他发现在很一般的条件下,空间和时间一定存在奇点,时空似乎被无限弯曲。不过当时还不清楚奇点是否真实存在。伦敦伯克贝克学院的罗杰?彭罗斯(Roger Penrose)证实,奇点确实会在黑洞中形成。后来,彭罗斯和霍金将同样的想法应用到整个宇宙中,并表明爱因斯坦的理论预测我们在遥远过去的奇点,这就是宇宙大爆炸。霍金与彭罗斯一起证明了著名的奇性定理。

  1971年:黑洞面积定理

  1971年,霍金在不考虑量子效应,宇宙监督假设和强能量条件成立的前提下,证明了面积定理。在面积定理约束下,两个等质量黑洞合并,若面积不变可以放出约30%的黑洞能量。

  1973年:霍金辐射理论

  霍金称自己通过计算得出结论,黑洞在形成过程中其质量减少的同时,还不断在以能量的形式向外界发出辐射,这就是著名的霍金辐射理论。该理论提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息,一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后,其中的所有信息就都随之消失了,这便是所谓的“黑洞悖论”。这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。

  1974年:黑洞会爆炸

  黑洞会发出耀眼的光芒,体积会缩小,甚至会爆炸——当霍金于1974年做此预言时,整个科学界为之震动。霍金利用量子理论证明,黑洞应该散发热量并最终消失。当黑洞的质量越来越小时,它的温度会越来越高。这样,当黑洞损失质量时,它的温度和发射率增加,因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计,因为大黑洞辐射的比较慢,而小黑洞则以极高的速度辐射能量,直到黑洞的爆炸。

  1981年:无边界宇宙学

  霍金在1981年提出了一种既自洽又自足的无边界宇宙学。在这个理论中,宇宙中的一切在原则上都可以单独地由物理定律预言出来,而宇宙本身是从无中生有而来的(量子意义上)或者没有起源(经典意义上)。

  1982年:量子波动

  宇宙膨胀理论认为,宇宙在诞生初期经历了一段惊人的膨胀期。1982年,霍金率先展示了量子波动——也就是物质分布的微小变化——是如何通过膨胀引起宇宙中星系扩散的。在这些微小的涟漪中,播下了我们所知道的恒星,行星和生命的种子。麻省理工学院物理学教授马克斯?泰格马克说:“这是科学史上最美丽的想法之一。”

  1988年:《时间简史》

  霍金给人类留下的流传最广的书籍莫过于《时间简史》,首次出版于1988年。在该书里,霍金探究了已有宇宙理论中存在的未解决的冲突,并指出了把量子力学、热动力学和广义相对论统一起来存在的问题,该书的定位是让那些对宇宙学有兴趣的普通读者了解他的理论和其中的数学原理。这本书成为全球科学著作的里程碑,它被翻译成40种文字,畅销全球。

  1998年:“开放暴胀”理论

  1998年,霍金和数学物理教授图罗克修正了自己曾经参与创立的宇宙大爆炸理论,第一次提出了“开放暴胀”理论。这一理论认为,宇宙的最初模样如同一个豌豆大小的物体,悬浮在一片没有时间的真空里。“豌豆”状的宇宙在大爆炸前的一瞬间内经历了被成为“暴胀”的及其快速的膨胀过程,宇宙最终无限膨胀下去,而不是膨胀到一定程度就会在引力的作用下坍塌……

  2015年:突破聆听

  2015年7月,霍金曾宣布启动一项人类历史上规模最大的外星智慧生命的搜索行动,名为“突破聆听”(The Breakthrough Listen) 。这项行动将通过扫描宇宙的方式进行搜寻,历时10年,并将耗费一亿美金。

  2016年:突破摄星

  2016年,霍金和俄罗斯投资大亨尤里?米尔纳共同启动了“摄星计划”,希望以五分之一的光速将飞行器送至半人马座α星,以此让星际航行变成现实,更好地了解宇宙,给科学和太空探索带来革命性的变化。霍金还透露Facebook的创始人兼首席执行官马克?扎克伯格也加入了该计划的董事会,为“突破摄星”助一臂之力。

  2018年3月14日,属于霍金的“时间简史”拉上了帷幕。这位物理学巨人的谢幕,让整个世界为他悼念。

  时间是否有长短?黑洞是否存在?外星人何时降临?他留下许许多多仍未解决的问题,隐身于苍茫的宇宙中,等待后人的探索。(完)


(责任编辑:白金朋)

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