霍金的世界,物理學家到科普大咖

今天,3月14日,英國著名物理學家史蒂芬·霍金家族的發言人稱,霍金逝世,享年76歲。霍金的子女在一份聲明中說:“我們親愛的父親今天去世了,我們深感悲痛”。聲明稱,霍金“是一個偉大的科學家,一個不平凡的人,他的研究和成就的影響將持續多年”。對於很多讀者來說,之所以對黑洞感興趣,部分原因可能正是霍金的科普作品。

今天,3月14日,英國著名物理學家史蒂芬·霍金家族的發言人稱,霍金逝世,享年76歲。巧合的是,今天還是愛因斯坦的生日。霍金的子女在一份聲明中說:“我們親愛的父親今天去世了,我們深感悲痛”。聲明稱,霍金“是一個偉大的科學家,一個不平凡的人,他的研究和成就的影響將持續多年”。

圖:2006年6月19日,霍金參觀天壇(圖片來源於網絡)

還記得去年的3月23日,霍金開通新浪微博,發了兩條微博消息便吸引粉絲幾百萬,可見他在中國的受關注度之甚。對於很多讀者來說,之所以對黑洞感興趣,部分原因可能正是霍金的科普作品。他在公眾面前積極文宣物理理論,並用通俗的語言撰寫了不少科普著作,相信大家都讀過他的《時間簡史》和《果殼中的宇宙》等書籍。大學時,筆者雖讀不懂《時間簡史》,但深深地被書中的黑洞吸引,最後果斷選擇黑洞作為自己的研究方向,至今仍然很喜歡。囙此,筆者真要感謝霍金給予的啟發,也借此機會,將筆者從書中瞭解到的霍金講述出來,試圖展現一個更全面的他,特別是他做出了怎樣的學術成就等。

生在戰爭年代

童年的霍金(圖片來源於百度百科)

1942年1月8日,霍金誕生在牛津,出生當天剛好是伽利略逝世300年忌日。1942年,在倫敦以及英國南部大部分地區,每夜都還會遭到德國空軍的轟炸。當時,牛津與劍橋相對比較安全,因為據說,交戰雙方好像達成默契,如果德國不轟炸牛津與劍橋,英國就不轟炸海德堡和格丁根。也正因為如此,霍金父母决定遷到牛津,產下霍金。

父母出身平凡,但均畢業於牛津

霍金的父母均為牛津大學畢業生。父親主修醫學,母親學習哲學、政治學和經濟學。霍金有兩個親生妹妹菲莉帕(小1歲)和瑪莉(小5歲)以及一個弟弟愛德華(小14歲)。他們都喜歡聽聰明的音樂,看聰明的書,羅素是他們共同崇拜的英國人。在別人眼裡看來,他家是有點古裡古怪的高級知識份子家庭。

霍金父母(圖片來源於網絡)

求學時的他

1952年9月,霍金進入聖阿爾班斯中學。在校的表現可以總結為這些特點:用功、模樣古怪、動作笨拙、聰明、喜歡與有才的小夥伴們分享各種興趣。朋友表示,他的洞察力很强。

1957年7月,普通班考試之後,學生需要確定選修科目。他也面臨過我們或許遇到的問題:自己的興趣與父母的期望之間存在差別,他自己希望學習數學和物理,因為這兩門學科可以幫助他探索宇宙的奧秘;而他的父親希望他能去學醫,認為學數學不好找工作。最後雙方都作出讓步,霍金報考牛津大學的大學學院,學習物理和化學。

1959年,年僅17歲的他進入牛津大學,並獲取了獎學金。1962年,他進入劍橋大學讀博。

圖:牛津遊艇俱樂部合照(圖中拿手帕的為霍金)(圖片來源於網絡)

身體給他開了一個玩笑

進入劍橋大學之後,霍金决定選擇宇宙學作為自己的研究方向。在學習廣義相對論時,他發現自己的數學基礎不够扎實,學習上面臨著一些困難。沒過多久,1963年,他發現自己手脚越來越不靈活,後來被診斷有肌萎縮性脊髓側索硬化症,醫生預言可再活2年。

他受到了致命的打擊,感到絕望,覺得自己的人生就像一場悲劇。“為什麼這種事情會發生在自己身上?”他也曾這樣問自己。住院的時候,他遇到一件事情,他臨床的一個患白血病的男孩死了。這給他帶來很大的觸動,他意識到,如果自己的生命還能延續一段時間,他還可以做很多有價值的事。

那個時候,簡懷爾德的出現和他們之間的愛情給了霍金新的希望,霍金重新恢復信心。為了自己,為了兩個人的未來,霍金决定要努力拿到博士學位,在宇宙學方面做一些工作。

學術成就

大家可能都會把霍金和黑洞聯系起來,同行們稱他是上世紀70年代以來在引力和黑洞領域作出傑出貢獻的眾多學者之一,究竟霍金做出了哪些學術成就呢?讓我們一一瞭解下。

成果1:宇宙早期有一個奇點

1965年,數學家羅傑彭羅斯發現:假設恒星在生命末期會坍縮成黑洞,那麼不論恒星原本狀況為何,不論它怎樣坍縮,它會在黑洞中心坍縮成一個密度無窮大、曲率(彎曲程度)無窮大的時空奇點。彭羅斯提出“自然界憎惡裸奇异點”,因為奇點總是隱藏在黑洞的視界中。

霍金看到彭羅斯的工作之後,想到如果時間起點存在一個奇點,那麼自然界就不一定憎惡裸奇點了,因為時間起點處的奇點不能被隱藏起來。討論之後,霍金與彭羅斯二人便開始研究這一課題。1966年,他們聯合發表了《奇點與時空幾何》,並獲得了亞當斯獎。

在他們研究該課題之前,也有一些科學家認為,如果根據理論來回溯擴張的宇宙,那麼時間起點處情况很複雜,粒子將相互碰撞而彈開,產生一個混沌的火球。1969年,二人發展了一種新的數學技巧,用來分析時空中各點的相互關聯,消除了粒子間紊亂作用所引起的混沌。他們的結論是,如果廣義相對論是對宇宙的正確論述,那麼在時間的起點處存在一個奇點。這一奇點同黑洞中心的奇點具有相同的性質,物質密度無限大。

(圖片來源於網絡)

成果二:運用廣義相對論發現,黑洞表面積不减。

在黑洞的實際概念還很模糊的年代,霍金將研究的關注點從奇點轉移到黑洞視界周圍,即最靠近黑洞“表面”所發生的事件。研究興趣發生改變有多個原因。

一方面,無論理論預言奇點處發生什麼,都不可能用觀測來檢驗,因為奇點被隱藏在黑洞視界內部(當然處於時間起點處的奇點除外)。但是黑洞視界處的事件,將可能被觀測探測到。另一方面,70年代重要的發展,是來自於比光學波長更短的X射線,使得黑洞候選體的發現不無可能。在這些背景下,霍金與彭羅斯期待發展一種管道,來描述黑洞的視界。

1970年11月,霍金與簡的第二個孩子露西剛出生不久。一天晚上,霍金慢慢地脫衣服準備睡覺。突然間,他意識到彭羅斯和他在66年發展的證明奇點的技巧(提出了一個黑洞視界的實用數學定義),有許多技巧應該可應用於黑洞。

那天晚上,他想到:如果有物質或輻射落入黑洞,黑洞的表面積會新增。即使是兩個黑洞互相碰撞而合併在一起,新的黑洞的表面積也大於(或等於)原先兩個黑洞的表面積之和。這便是黑洞表面積不减。

黑洞(圖片來源於視覺中國)

成果3:運用廣義相對論和量子力學發現,黑洞不黑。

1973年早期,霍金和彭羅斯開始用熱力學現象來類比黑洞。同時,普林斯頓大學有比特研究生貝肯斯坦,已不滿足於僅作類比,而是將該想法應用於黑洞中。根據熱力學第二定律,在孤立系統中,體系總是自發地向混亂程度增大的方向變化,使得整個系統的熵值增大。熵也成為了表徵體系混亂程度的物質狀態參量。這個年輕的研究生認為,黑洞的視界大小可能正是黑洞熵的量度。

但當時霍金很不高興。他認為,熵與溫度有直接的關聯,如果黑洞表面積的大小是熵的量度,那麼黑洞表面積也必須是溫度的量度。但如果一個黑洞有溫度,那麼熱量一定會從它流向寒冷的宇宙,也就是說黑洞會輻射能量。這與黑洞的最基本事實——包括電磁輻射在內的任何東西,都不能從黑洞逃逸——剛好相抵觸。於是,霍金與合作者合寫了一篇文章,1973年發表在《數學物理通訊》上,指出上述這一點剛好是貝肯斯坦的想法的致命傷。他們說,“事實上黑洞的等效溫度是絕對零度……黑洞不可能發射任何輻射。”

但不過1年,霍金就改變了主意。故事還得說回1971年,那時霍金發表的理論認為,當我們向時間的起始回溯時,就會發現一段特殊的時期,壓力大到足以將任何大小的物質——即使只有幾克——壓成黑洞。也就是說,大爆炸可能會產生很多甚至比原子核還要小的“微黑洞”,也許現時的宇宙中還有很多這類微黑洞。

按照黑洞的標準,微黑洞的質量很小;但是,按照日常的標準,微黑洞的質量依然很大,例如,質量大約為10億噸(地球上一座山的質量)的黑洞,大小大約只有質子那樣大。要研究這麼小的物體,物理學家知道只有使用量子理論,才能探索其中的奧妙。

為了更好地解釋黑洞的行為,也為了和貝肯斯坦的想法決一勝負,霍金考慮問題時,必須要將量子物理與廣義相對論結合起來,最終也只是局部地統一起來。

其實早在1973年,蘇聯物理學家證明旋轉黑洞會拋出粒子。蘇聯物理學家的想法引起了霍金的興趣,卻沒有說服他。他開始著手尋找精確的數學形式來描述,最後他發現,非旋轉的黑洞也有相同的現象。

他的數學方程推出的結論是,所有的黑洞都會發射高能粒子,囙此每個黑洞都有溫度。這個溫度,與根據黑洞表面積是黑洞熵所做的熱力學預測完全一致。

具體的想法是這樣的,根據量子的不確定性原理,真空中的每個微小部分,實際上包含了相當多的能量。能量只能從真空“借用”十分短暫的時間(普朗克時間:1e-43秒),與時間量測本身所固有的不確定性有關。粒子必須成對產生,並在宇宙還沒來得及“注意”到這些能量被借走之前,就經由相互間的作用而湮滅。

對於一個非旋轉黑洞,當一對虛粒子恰好在接近黑洞的視界外部產生時,在量子不確定性允許的極短時間內,其中一個粒子可以被黑洞捕獲,這樣另一個粒子就沒有同歸於盡的對象,囙此就會攜帶另一半的能量逃逸。這種管道的輻射被名為“霍金輻射”。

這些能量來自於黑洞的重力勢能,黑洞的重力勢能和質量有關。經過這樣的活動,黑洞的重力勢能損失,黑洞失去部分質量。如果其他條件不變,黑洞會不斷收縮。

切記,根據理論,這一過程很慢,即使一個質子大小的微黑洞,蒸發到它將爆炸的時刻,也需要數十億年之久。與太陽大小相當的黑洞由於“霍金輻射”產生的溫度大約是千萬分之一開爾文;而對於與質子大小相當的黑洞產生的溫度大約在1200億開爾文。囙此當微黑洞漸漸失去質量而變小,最終越來越熱,輻射能量的速率越來越快,最後會爆炸產生X射線甚至伽馬射線。

霍金發現這些理論並發表時,大約在1974年。當時這一結果在一開始,並沒有投至《自然》雜誌,而是拿去參加了一個名氣不大、由美國重力研究基金會主辦的論文競賽,論文標題是《黑洞不黑》。關於黑洞爆炸的正式論文——《黑洞爆炸嗎》出現在1974年3月1日的《自然》。

還記得他的第二項成就嗎,早在1971年,霍金就發現黑洞表面積不减,黑洞不會收縮,確立了黑洞與熱力學之間的關聯。現在他發現,加上量子理論,黑洞與熱力學之間的關聯更加强了,但也發現黑洞會因霍金輻射,必須收縮。

成果4:宇宙的起始——無邊界假設

如果只用廣義相對論,可以匯出黑洞的表面積不减小;如果再考慮量子理論,那麼可能不但能縮小,最後還將化成伽馬射線而消失。

如果只用廣義相對論,則可匯出宇宙必定在150億年前,由一個密度無限大、而體積為0的奇點而產生。囙此,霍金向自己提出的下一個問題是:如果將量子效應考慮進去,那麼這個宇宙起始奇點的預測,將會有什麼樣的變化呢?

自從20年代量子革命以來,物理學家就一直試圖努力構建一個完整的、統一的理論。但事實上,直至今日,仍然沒有。但是,霍金集中於一個特殊的難題——時間的起點,量子力學與廣義相對論如何統一起來。

他在這個問題上取得了一定的進展,但是在80年代初又提出了如下的問題:時間究竟有沒有奇點?

1981年,霍金在梵蒂岡公佈最新發展的理論——應用理查德費曼的路徑積分來解釋宇宙的創生。霍金試圖利用歷史總和法來描述宇宙的整體演化。現時當然這是不可能的,因為僅僅一個宇宙的歷史,就包含了每個粒子從宇宙的起始到終點的各個路徑。更何况,歷史的總和包括每一種可能的宇宙演化路徑都加在一起。

但是霍金發現,只要利用無邊界條件,就能簡化計算,不需要考慮每個粒子在時空中的每條路徑,而是將歷史總和的想法運用到具有不同曲率的彎曲時空,發現廣義相對論允許各種不同曲率的宇宙存在,而具有某些曲率的宇宙,可能比其他宇宙出現的幾率更大。

如何描述無邊界條件呢?如果宇宙像黑洞內部一樣是個封閉的時空,那麼按照標準的大爆炸理論,我們把宇宙想像成一個氣球的表面,從宇宙大爆炸到大崩墜,相當於氣球從一個點充氣變成一個大氣球,又接著放氣而變成了一個點,起始的點和最後的點在霍金看來就是“邊緣”。他的無邊界模型就是希望沒有邊界的宇宙模型。仍然用氣球的表面來類比,這時氣球的大小不變,球面上的點表示宇宙的某個階段,把北極點想像成宇宙的起點,不斷向南走,氣球的圓截面越來越大,表示宇宙空間越來越大,宇宙在膨脹;隨著到達赤道之後,再向南走,氣球的圓截面越來越小,直至到達南極點,宇宙在收縮,直至崩墜。

霍金也強調,這種無邊界條件只是一種猜測。但這種猜測源於量子力學的思路和廣義相對論理論的局部綜合,對宇宙的本質給出了一種想法——宇宙可以不同曲率存在,但某些曲率的宇宙存在的概率更大些。我們不知道答案。

成果5:“宇宙之外是什麼”的初步探索

即使霍金提出了一個無邊界的宇宙模型,但還是有很多人想知道宇宙的“外面”是什麼。1981年前後,其他宇宙學家和霍金開始關注一個問題:一個微小的宇宙種子,怎樣成長為如今如此平坦的宇宙?

宇宙的“外面”是什麼(圖片來源於網絡)

他們提出,在宇宙早期的某個時刻經歷了急速的膨脹,即暴脹。在這種劇情下,就可能表明,除了我們的宇宙之外還存在著無限多個宇宙,各個宇宙之間,都被超緻密偽真空形成的無法穿透的牆永遠分割開來。從某個角度來看,這種概念毫無意義。因為既然我們無法看到其它宇宙,它們也絕不會對我們的宇宙產生作用,那麼為何還要在乎呢?

然而也有理論計算發現,其實造成宇宙的管道不止一種,而且在某些劇情中,不同的宇宙會相互作用,如果有相互作用,我們也許還能試著找下觀測證據。天文學是講究觀測證據的科學。

在這一領域,霍金也是很感興趣,並提出一些看法。細節就不在這裡細述了。

科普成就

霍金為全球公眾所知,一個主要原因是他卓越的科普成就。他積極開展科普,創作了《時間簡史》、《黑洞、嬰兒宇宙及其他》、《在巨人的肩膀上》和《果殼中的宇宙》等優秀科普書籍,還和他的女兒一起創作了一套喬治系列的科普書,生動有趣地介紹了宇宙的奧秘。他的書有個特點,公式少,故事多,不過還是有點難懂。

近些年來,霍金也提出了一些我們認為有些科幻的想法,如他稱地球200年內會毀滅,人類只能移民外星球才能生存。他的想法奇特,想來也是不奇怪的。除了想法特別,他還喜歡和人打賭,大家熟知的事情是他和他的好友基普索恩的打賭。

圖:2016年4月12日,霍金在演講的臺上(圖片來源於網絡)

總結

一個青年人在21歲時便身患重病,被醫生告知只能再活兩年,然而在人生後來的55年中,面對身體不適、語言溝通不暢的現實,他運用智慧,或獨立地、或與合作夥伴一起,用數學管道證明如果廣義相對論是對宇宙的正確論述,那麼在時間的起點處存在一個奇點;基於廣義相對論發現,黑洞表面積不减;基於廣義相對論和量子力學發現,霍金輻射,黑洞表面積會减;初步嘗試綜合廣義相對論和量子力學方法提出無邊界條件,發現也許宇宙能以不同曲率存在,但概率不同;參與了對宇宙暴脹理論的研究。

從事科研之餘,他也積極從事科普書籍創作、科普演講等,為公眾帶去了知識。為了促進人與人之間的交流,他也是各種科學和社會活動的常客。

他的成功,離不開身邊朋友家人的關心愛護,更離不開他自己的堅持和努力吧。他善於發現樂趣,發現希望。“如果生活沒有了樂趣,那將是一場悲劇”。希望霍金一路走好,也祝所有的讀者能從他的身上,除了看到天才,還能看到那份努力和樂觀。

本文標題: 霍金的世界,物理學家到科普大咖
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