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霍金对物理学的贡献
2018年3月14日,英国物理学家霍金在轮椅上走完了他的
一生,享年76岁。
霍金的一生极富传奇性。他以一副病躯,执着于思考宇宙、
黑洞、时空等深奥的主题。一般人以这样的身体条件,大概能对
科学泛泛地有所了解就已经很不错了,而霍金对宇宙的研究,可
以说代表了当前人类对宇宙认识的高峰,所以他本人,早已成为
人类强大的精神可以战胜脆弱的肉体的一个象征。在这篇文章里,
让我们来盘点一下他留给我们的精神遗产——他对物理学的贡
献。
证明黑洞内部必存在奇点
霍金一生的工作是跟黑洞联系在一起的,我们就从黑洞谈起。
2017年因引力波研究获诺贝尔物理学奖的美国物理学家基
普索恩·在一本书中写道:
在人类大“脑所有的概念中,包括氢弹、独角兽,最为奇特的
可能就是黑洞。它有确定的边界,任何东西都会掉进去却没有东
西能逃出来。它有极强的引力场,以至光线也在它的掌握之中。
它扭曲了空间和时间。像那些奇形怪状的野兽一样,黑洞似乎更
适合安居在科学幻想或古老的神话里,而不是现实的宇宙中。然
而现代物理学定律确实预言了黑洞的存在。银河系里就可能有上
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百万个黑洞。”
黑洞有两大特征:一是中心藏着一个密度无限大的点,叫奇
点;二是外围有一个圈,叫视界。那是黑洞内外的分界线,外界
的东西一过视界,连光也休想再从里面出来。不过要注意,视界
并非实体。你要是掉进黑洞,在往奇点坠落的过程中是感觉不到
视界的存在的。
如今,这两点已是关于黑洞的常识,但在上个世纪60年代,
即霍金刚踏入学术圈的时候,大家却对奇点的存在深表怀疑。因
为它的密度无限大,这一点让物理学家接受不了。在他們眼里,
出现无限大,意味着预言黑洞存在的广义相对论有什么地方错了。
让物理学家不得不直面奇点的是英国物理家彭罗斯和霍金。
1965年,他们在黑洞研究中引入拓扑学,从数学上严格证明:在
广义相对论框架内,每个黑洞内部必然藏有一个密度无限大的奇
点;要想让黑洞中心不出现奇点,是不可能的。这一结论被称为
黑洞的彭罗斯“-霍金奇性定理”。
最令人惊讶的是,奇性定理具有很强的普适性,适用于一切
现实中坍缩的恒星。这就打消了一些物理学家的念头,告诉他们
必须接受奇点这个难以理解的东西。彭罗斯和霍金因此项贡献共
同获得1988年的沃尔夫物理学奖。
此外,在整个1960年代,彭罗斯和霍金等一批物理学家结
合拓扑学和广义相对论,创立了一套有力的数学工具,现在我们
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称之为整体方法“”。1970年,霍金和彭罗斯利用这套方法证明,
我们的宇宙在它大爆炸膨胀的开端有一个时空的奇点;如果它有
一天会再次坍缩,那么必然还会在大挤压中产生奇点。
黑洞蒸发和霍金辐射
1970年11月的一个晚上,霍金正准备睡觉,忽然有了一个
想法,它来得那么急,令他差点喘不过气来。
这个是由一个简单的问题引起的:当两个黑洞碰撞合并在一
起时,视界的面积会发生什么变化?
在那个不眠之夜,霍金凭着他深刻的直觉猜测:不论黑洞如
何旋转,如何碰撞,最终黑洞视界的面积一定总是大于原来黑洞
视界面积之和。后来,他从理论上严格证明了这一点。
这个结论被称为黑洞面积“定理”,其更准确的表达是:在某
个区域内,只要没有黑洞移出这个区域,那么所有黑洞的表面积
(即视界面积)之和随着时间的推移总是只增不减的。
没料到,这个发现开启了黑洞研究的新篇章。
首先是美国物理学家贝肯斯坦注意到,这个黑洞面积定律跟
热力学第二定律极其相似。在热力学第二定律中,一个隔绝孤立
系统的熵也具有“随着时间的推移只增不减”的性质。他认为,这
不是巧合,黑洞的面积必定跟黑洞的熵有着某种内在的联系。
刚开始,这一想法受到包括霍金在内的许多物理学家的嘲笑。
嘲笑是不无道理的。因为从经典的角度看,黑洞除了一个奇点,
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什么都没有;那个所谓的视界,其实并非实体;黑洞内部空空如
也,所有东西都被奇点吞噬。你要是朝黑洞扔一袋气体,这袋
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