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黑洞与霍金
送交者: 蓝色尼罗河 2018年02月07日07:59:38 于 [茗香茶语] 发送悄悄话

黑洞物理学——霍金

摘要

1942年1月8日,爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家、英国物理学家霍金出生。他根据量子理论提出黑洞并不完全“黑”。霍金以残疾之身工作在宇宙学前沿的同时,还写了近200本书和论文,辅导了30个博士生的博士论文。这篇文章看完之后,请大家思考一个问题,物理学是霍金比较专业还是职业老外比较专业。


黑洞物理学——霍金
1942年1月8日,英国理论物理学家霍金(Stephen William Hawking,1942.01.08- )的出生。霍金的父亲是研究热带疾病的医学研究员,母亲是物理学家的女儿。他们都毕业于牛津大学,为霍金及其兄妹提供良好学习环境。
1952-1957年,霍金在圣奥尔本斯上学,对课堂所学游刃有余。三门功课的成绩都是全校最优,同时表现出对数学的理解和天赋;他对化学也很有兴趣;还写出了获奖的神学论文。1958年,他与同学、数学老师一起设计和制造了一种原始计算机,名叫“逻辑旋转式计算器(LUCE)”。
1959年,霍金获得了在牛津大学奖学金,父亲希望他将方向确定在医学和生物,但他根据自己的兴趣学了数学和物理。第一年旁听了数学课研究班,通过了数学学院的考试。第二年结束,他获得了牛津大学的物理奖——布莱克威尔·布克物理学习优秀奖,还作为舵手参加了院系间的划船比赛。
离开牛津后,霍金继续在剑桥大学应用数学和理论物理系学习了四年。此时,相对论和量子理论是现代物理两个相互独立的主要分支,和牛顿的经典物理学还作为物理教学的基础。霍金在丹尼斯·希亚马的指导下,开始研究宇宙学和广义相对论。


1963年1月,霍金出现了说话和行走困难的症状,诊断结果是患有运动神经疾病,这是肌肉系统退化的紊乱状态,又称肌萎缩性(脊髓)侧索硬化(ALS)症。医生认为,他的身体会迅速退化,虽然大脑不会受到影响,但估计存活期仅有两年半。

霍金没有因健康状态停止对学术的求索,也没有停止个人生活的追求。1965年7月,过了医生预计生存年限的霍金还结婚了。病中的霍金活动仅限在轮椅上,说话的能力也在不断退化,但他每天从剑桥校园附近租的房子到学校去学习。以病残之躯坚持研究,并有着惊人的学术生命期,也更令他受到普遍的尊重。
霍金对理论物理学中的贡献受到广泛的赞誉。有人甚至称他是“爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家”。他最著名的工作是有关黑洞的研究。所谓“黑洞”是这样一种特殊天体,它的边界(视界)是封闭的,外界所有的物质和辐射都可以进入,而边界内的任何物质都跑不出来。美国物理学家惠勒用“黑洞”来描述高密度的质量,重力场巨大以致策略或包括光的能量,都无法逃逸。
很快地,霍金成了宇宙学研究圈子的活跃分子。1965年,在伦敦举行的皇家学会会议上,剑桥大学宇宙学教授弗雷德·霍伊勒和他的研究生雅扬特·纳尔利卡作了关于宇宙稳定状态理论的报告,霍金提出了质疑。他观察到,有一个等式的数学量是离散的,不能相加进最后的有限总量中。他发表在《伦敦皇家学会报告》上的论文《论霍伊勒-纳尔利卡策略理论》总结了他提出质疑的数学发现,受到同行的好评。
1966年,霍金获得物理学博士学位。彭罗斯(Roger Penrose,1931-)用数学理论来解释空间-时间的异常值。这些异常位于黑洞中心,是当时间-空间曲率无限大时的点。霍金把彭罗斯的奇点理论扩大到解释整个宇宙。他的博士论文《宇宙学中异常值的出现》于次年分3部分发表在《伦敦皇家学会报告》上。未发表的论文《异常点和空间-时间的几何》则是对博士论文的继续研究,获得了1966年剑桥大学亚当斯奖。
博士毕业后,霍金获得剑桥大学一个研究员的职位。1968年,他加入大学天文研究所,和彭罗斯合作一起,继续研究宇宙的异常点和起源。他们拓展了拓扑学和几何学的方法来计算广义相对论。共同证明了如果广义相对论是对宇宙的精确描述,那么在时间开始的时候,必然有一个奇点。霍金-彭罗斯理论用数学方法证明了大爆炸理论,即宇宙开始于一个黑洞的爆炸。1970年,他们在《伦敦皇家学会报告》上发表论文《重力塌陷和宇宙学的异常点》,这是对黑洞理论的重大贡献。

 

1971年,霍金在《物理学评论》上发表论文《塌陷黑洞的引力辐射》,提出了黑洞平滑水平线的表面积永远不会减少。平滑水平线是黑洞的视界限,没有电磁能量能够达到这个界限之外。1973年,他在《数学物理通讯》上发表论文《黑洞机制的四个定律》,在此论文里,他和美国物理学詹姆士·巴尔蒂恩、英国物理学家布兰登·卡尔特试图解释,为什么黑洞不遵循的热动力学规律。两年内,霍金否定了这两个观点,用相反的观点来进一步发展理论。

1973年,霍金离开天文研究所,成为剑桥大学应用数学系和理论物理系研究人员。同年,他和南非宇宙学家乔治·伊利斯一起合著了《大规模空间-时间的结构》,向相关专家介绍古典宇宙学理论,虽未包括黑洞理论的最新发现,销量却高达1.6万本,创造了剑桥大学出版社历史上物理学术类书的销量之最。
霍金用电子理论、广义相对论和热动力学的规则来研究、重新思考了他早期提出的黑洞理论,他成功地证明了一个令人惊讶的结论:黑洞在施放一种辐射(后来被命名为“霍金辐射”),这意味着逃逸的重力和能量最终会导致黑洞的萎缩和消失。这一发现和他早期的黑洞光滑水平线的表射程永远不会减少的观点相矛盾。这个研究结论他发表在论文《黑洞非黑》论文里,获得了1974年重力研究基金奖。霍金在发表在《自然》上的论文《黑洞扩张?》里,更加完整地介绍了这一证明,此论文被希亚马称为历史上最美妙的物理学论文之一。皇家学会也因而授予他研究员资格。
霍金的研究向一个明显的矛盾前进:被称为“信息悖论”。根据霍金的理论,从黑洞逃逸的射线“无毛”,意思是不携带任何关于黑洞内任何物质信息,所以无法分辨它是否来自另一个有着同样重力、电荷和角动量的黑洞。当足够多的辐射从黑洞逃逸后,黑洞会坍塌,关于黑洞的信息会消失。这个悖论和物理学的基本原则——宇宙演化过程中信息会被保存下来——是矛盾的。1976年,霍金在论文《重力塌陷可预测性的瓦解》中,进一步探讨了信息悖论,他认为,密集重力导致的黑洞坍塌产生了奇点,在这些点上量子理论的规律是失效的。他的信息悖论被很多物理学家批评,因为这意味着科学不再能够完全知晓过去、预测未来。
对于黑洞的存在,早在18世纪末,拉普拉斯就根据牛顿的引力理论做出了预言。现代意义下的黑洞模型是施瓦西、奥本海默等人根据爱因斯坦的广义相对论做出的。认为超过一定质量的宇宙物质在自身引力作用下会变得越来越致密(塌缩),当塌缩到引力半径以内时,就成为黑洞,黑洞内在无任何物质能够逃逸。
1974年,霍金在不违背原有理论情况下,根据量子理论提出黑洞并不完全“黑”,不但会对外发射物质,甚至会出现剧烈爆发。这为实际观测黑洞存在提供了新的依据。
1980年,霍金被剑桥大学任命为第17届卢卡斯数学教授——牛顿和一系列杰出数学家曾担任过的职位。他发表了题为《理论物理学的终结已经临近了吗?》的就职演说,预测在20世纪末期,在物理学上,包括现代物理学的两大支柱——量子理论和广义相对论后的宏大理论后——不会再有大的发现了。
霍金在其职业生涯中不断提出值得争议的话题。1981年,教皇科学院于罗马举行的梵蒂冈会议上,霍金提出了他的“无界”猜想,讨论了它的宗教意味,引起了新的争论。他和美国物理学家詹姆士·哈尔特勒提出,时间和空间在一定程度上是有限的,但却没有科学规律不可解释的边界或异常点,他们的猜想在宇宙的诸多可能性中,我们现在的宇宙是最高概率的,没必要去相信造物主的存在。他们的猜想在宗教界和科学界都引起了激烈的批评。
1988年,《物理学评论》上发表了他的论文《空间-时间的虫洞》。1991年,《物理文稿》发表了他的论文《虫洞的阿尔法参数》。包括1989年的文章《宇宙线构成的黑洞》等弦理论的论文发表在《物理学》上。1995年,《物理评论文稿》发表了他的论文《宇宙线上黑洞电子偶的产生》。
1983-1988年,他参加了一项解释现代宇宙学概念的活动,比如大爆炸理念、黑洞、和霍金辐射等 ,以使普通的非专业读者也能理解。1994年,霍金和彭罗斯一起在剑桥的牛顿研究的做了题为“空间和时间的性质”系列讲座。
2004年7月在爱尔兰都柏林的国际广义相对论和地心力力会议上,霍金宣布,他解决了“信息悖论”的问题,他又一次颠覆了以前的观点,证明了在黑洞形成和蒸发过程中,信息不会丢失。他最终得出了黑洞的光滑水平线包括量子波动,该波动能使黑洞信息逐步逃逸的结论。他继续寻找着这一论断的数学证明。
霍金在科学上获得的巨大成功,使他在为残疾人的代言人。1979年,皇家残疾和复原协会提名他为“年度人物”。20世纪80年代,他分别说服了剑桥大学、布里斯托大学为残疾学生修建学生宿舍楼。1996年,他为《给残疾人的计算机资源》作了序。
工作在宇宙学前沿的同时,他写了近200本书和论文,辅导了30个博士生的博士论文。
〖科学公园按语〗 :

《时间简史》

自20世纪80年代中期起,为了把数学和科学思想介绍给普通读者,霍金在写科普书籍上花了很多时间。《时间简史:从大爆炸到黑洞》是他五年的工作成果。此书被译成40种语言,销售一千万册,连续四年居《纽约时报》《星期天时报》的畅销书榜。1991年,此书被制作成电影。

 

《时间简史》出乎意料的受欢迎,使霍金成为媒体公众人物,不断有媒体邀请他做公共演讲和讨论,并建议他出版续集。1992年,他出版了该书的后续本《斯蒂芬·霍金的时间简史:读者伴侣》。
1993年,他编辑了由14篇宇宙学论文组成的文集《黑洞和婴儿期的宇宙》,使外行读者能看懂现有的理论。2001年,他的著作《宇宙是一个坚果壳》简单易懂地解释了科学思想,此书获得了英联邦非幻想类小说的最高奖:阿文提斯图书奖。
2002年,他出版了《站在巨人的肩上:物理和宇宙学的伟大著作》,收录了尼克劳斯·科布尼克斯、开普勒、伽利略、牛顿、爱因斯坦等科学伟人的作品选段、生平,以及霍金对他们在物理学和宇宙学上贡献的解释。
2005年,他出版了著作《上学创造了整数,改变历史的数学突破》,重新阐释了31个数学思想史上标志性的思想、17个数学家的生平事迹,以及他对这些成就影响的评论。同年,他还出版了《时间简史》的后续简易版本。

 

轮椅上的霍金
霍金一开始并不愿意使用轮椅,也许是因为内心不承认自己的残疾。但后来病情加重而不得不使用后,他又从中获得了乐趣。特别是有了电动轮椅后,除了驾驶技巧不错,他还超级胆大。在大街上以最高速行驶,而助手们只好跑着试图为他护航。
霍金的研究生们都练就了一番躲避他轮椅的本领,因为当他认为哪些言论愚蠢或被惹恼了时,他会驾着轮椅辗别人的脚趾头,甚至有时以此为乐。他的学生说:“霍金最大的遗憾是从来没有碾过撒切尔夫人。”——嗯,如果这真是他的理想,那么他再也不可能实现理想了。


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