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物理學(xué)科普：霍金到底偉大在哪兒？

2018-03-31 07:58:29 來源：據(jù)微信號“英國那些事兒” 作者：點(diǎn)擊圖片瀏覽下一頁

3月14日，霍金先生離我們而去了。他或許稱得上是當(dāng)代社會最著名的物理學(xué)家。但對于大部分人來說，“霍金到底偉大在哪兒？他為何而出名 ”卻是一個很難回答的問題。

這一切，都要從我們該用什么理論解釋這個世界的一切說起。

霍金先生

經(jīng)典物理學(xué)

從16世紀(jì)起，伽利略、開普勒……一批又一批的科學(xué)家，把他們觀察的目標(biāo)對準(zhǔn)了宇宙，嘗試解釋更多的天文現(xiàn)象。然而，這樣的物理，是有局限的。

直到牛頓橫空出世。

他的偉大不但在于他試驗(yàn)和總結(jié)得出了“f=ma”這個公式，更關(guān)鍵在于他認(rèn)為這個公式適用于世界上的所有物體，小到一個蘋果、皮球，大到宇宙的太陽和星系……牛頓還通過了大量實(shí)驗(yàn)，證明了任何兩物體之間都存在著吸引力，總結(jié)出了萬有引力定律。

人們第一次發(fā)現(xiàn)，世界上的很多東西，用牛頓的這套理論可以精確的計(jì)算出來了。而牛頓的這套理論，被稱為——經(jīng)典物理學(xué)。

黑洞

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在很多領(lǐng)域，牛頓的經(jīng)典物理學(xué)解釋不了他們發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象了！出現(xiàn)偏差的部分，主要來自極大和極小的兩端。

為了解釋這兩端的現(xiàn)象，兩個截然不同的科學(xué)體系出現(xiàn)了：那就是解釋宏觀（也就是極大）體系的愛因斯坦的相對論，以及解釋微觀（也就是極小）體系的普朗克的量子力學(xué)。

1910年，愛因斯坦的相對論橫空出世。愛因斯坦用另外一種體系解釋了我們的這個宇宙。

就拿地球?yàn)槭裁磿@著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)舉例。牛頓認(rèn)為，在巨大的物體附近，存在著一種“力場”。這種力場就像磁場一樣，對其中的其他物質(zhì)有吸引力。正如同太陽吸引著地球，地球吸引著月球，甚至地球吸引著那個蘋果。

而愛因斯坦的相對論認(rèn)為，引力本身就是時空的一部分，是時空的幾何屬性。當(dāng)物體的質(zhì)量大到一定程度，其附近的空間就會產(chǎn)生扭曲，從而改變周邊一切物體的運(yùn)動模式。比如地球繞著太陽轉(zhuǎn)，衛(wèi)星繞著地球轉(zhuǎn)……

據(jù)此，科學(xué)家推斷出近乎天方夜譚的觀點(diǎn)：如果有一個質(zhì)量極大的恒星，它自身產(chǎn)生的重力也無比巨大，最終恒星必定會因?yàn)椴豢白陨碇刎?fù)而坍縮成一個密度和曲率都無窮大、體積無窮小的點(diǎn)。在這個點(diǎn)的周邊，會創(chuàng)造出一片引力極強(qiáng)質(zhì)量極大、連光都無法逃出的特殊區(qū)域。在時空的維度上，就像一個無比深凹的洞。科學(xué)界給了一個簡單的名詞：黑洞。

而霍金的理論主要就解釋了兩大問題：黑洞的中心究竟是什么？在黑洞的邊緣發(fā)生了什么？

1970年，霍金與羅杰·彭羅斯合作，用嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)推理證明：如果你能進(jìn)入黑洞中心，就會發(fā)現(xiàn)里面關(guān)于黑洞的所有質(zhì)量，都會匯聚到一個點(diǎn)上——奇點(diǎn)，一個體積無限小、彎曲無限大、密度無限大、引力無限大的一個點(diǎn)。

而霍金和彭羅斯一起，從理論上，證明了黑洞中心奇點(diǎn)的存在。這也是他學(xué)術(shù)生涯中第一個舉足輕重的定理：奇點(diǎn)定理——黑洞的中心存在一個奇點(diǎn)。

霍金輻射理論

那黑洞的邊緣又會發(fā)生什么?

霍金經(jīng)過思考和研究，他創(chuàng)立了一個理論：黑洞確實(shí)在放出黑體輻射，而且黑洞的質(zhì)量，是在不斷減少的。這一切，被稱為“霍金輻射理論”。

為了解釋自己的這個理論，霍金在學(xué)術(shù)界破天荒地用了相對論之外的另一套物理體系來解釋自己的理論——量子力學(xué)！

而霍金，把這個理論，用在了黑洞的邊緣上。按照量子理論，這正反粒子應(yīng)該是一出現(xiàn)，馬上就會互相碰撞湮滅掉而達(dá)到能量守恒的，然而在這種情況下，一個粒子被吸入黑洞，另一個粒子沒法跟它碰撞湮滅。一個虛粒子，變成了一個有正能量的實(shí)粒子。那這個能量是哪來的？

霍金的解釋是，這個離開黑洞的粒子的質(zhì)量，一定是從黑洞本身的質(zhì)量而來的。黑洞吞了一個負(fù)能量的粒子，減少了自己的質(zhì)量，而有另一個含有能量的粒子離開了黑洞。這一切，在外面看來，就像黑洞在發(fā)射粒子一樣。這些粒子是從黑洞邊緣空虛的空間里變出來后逃逸出來的，但是逃逸過程中帶走了黑洞的能量。

與此同時，墜入黑洞的粒子質(zhì)量為負(fù)，在它們的作用下，黑洞變得越來越小，直至消失。當(dāng)然了，這個過程非常非常漫長。由于體積不斷變小，黑洞自己也有生命的終點(diǎn)。它最終會變成一個迷你黑洞，在黑洞生命最后階段的時刻，這個迷你黑洞會爆炸，其威力相當(dāng)于100萬顆百萬噸級的氫彈。在一場大爆炸中，黑洞的一切，灰飛煙滅，黑洞的奇點(diǎn)也會爆炸。

我們現(xiàn)在所處的宇宙，曾經(jīng)就是一個奇點(diǎn)，即所謂的宇宙大爆炸奇點(diǎn)。隨著這個奇點(diǎn)爆炸，這才形成了星系、恒星、行星以及此刻拿著手機(jī)緬懷他的你和我。

世間萬物，都由此而來，這就是宇宙的起源。

在宏觀和微觀的世界上，我們創(chuàng)立了兩種不同的體系來解釋不同的事物。多少年來，科學(xué)界一直想找出一個方法，能夠統(tǒng)一相對論和量子力學(xué)。然而這一直沒有誰能完成，而霍金用相對論和量子力學(xué)來解釋黑洞邊緣，來解釋黑洞質(zhì)量減少的理論，卻是在當(dāng)時走出了這大一統(tǒng)的第一步。

責(zé)任編輯：王寧