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霍金去世一周年:一文看透他的光辉人生!

来源:腾讯科技    作者:乔辉      2019-03-14

导语:霍金的名字早已家喻户晓,但如果有人问,霍金取得的科学成就有哪些?他为什么没得诺贝尔奖?你能立刻回答上来吗?所有的答案都在本文中。

2018年3月14日,自爱因斯坦以来最有名气的物理学家霍金在剑桥大学的家中安详去世,享年76岁。今天是霍金去世一周年的纪念日,作为从小听着他的故事长大的一代人,还是无比怀念,谨以此文表达对他的思念,也让更多朋友了解他的成长简史、成就简史以及太空梦想。

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霍金1942年1月8日出生于牛津,父亲是毕业于牛津大学的热带病专家,母亲也毕业于牛津大学,研究哲学、政治和经济。

641-2.jpeg帅帅的父亲抱着婴儿时期的霍金。

霍金出生这天正好是现代物理学的始祖——伽利略逝世300年的忌日。当然,他并没有把这种巧合当成某种奇迹,他曾经说:“我估计那一天还有其他20万个婴儿出生。”也许又是一次历史巧合,3月14日又恰好是爱因斯坦的诞辰,不知道霍金在天有何感想。

一、求学经历

霍金在17岁的时候进入了牛津大学,父亲希望他学医,因为学医工作机会更多一些,但霍金却对数学和物理充满热情,最终他以物理作为自己的专业。本科毕业后,他拿到了一等学位证进入剑桥大学深造。

641-3.jpeg12岁的霍金和1962年牛津大学毕业时的霍金。

在理论物理学中,有两个最基本的方向:一个是研究微观领域的粒子物理学,另一个是研究宏观领域的宇宙学。当年,霍金觉得粒子物理学更像是给各种粒子分类,没有一个统一的理论指导(当年还没有粒子物理标准模型)。而宇宙学中,有现成的广义相对论,于是他选择了后者作为自己的研究方向。

在剑桥大学,有一位世界最著名的天文学家福雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)。霍金当时也是奔着霍伊尔去的,但未能如愿以偿。他的导师被指定为物理学家席艾玛(Dennis W. Sciama)。事实证明,席艾玛的带学生风格更适合霍金。60年代和70年代初,他的大部分精力都是用来为他的学生营造一个理想的成长环境,把个人的研究放在了第二位,获得的奖励和荣誉更多的是他的学生,这样的导师更符合蜡烛的精神:燃烧自己,照亮别人。除霍金外,席艾玛还培养了诸如马丁·里斯(oMartin Rees)这样的一大批世界顶级的天体物理学家和宇宙学家。

二、重要科学贡献

1、奇性定理

1916年,在爱因斯坦广义相对论刚刚提出后,德国数学家、天文学家史瓦西(K.Schwarzschild)就得到了爱因斯坦场方程的第一个严格解,即史瓦西外部解或史瓦西度规,也就是数学意义上的黑洞。

然而,现实中是否存在黑洞呢?当时科学界是存在很大争议的。

1939年,美国“原子弹之父”奥本海默(J. Robert Oppenheimer)及其合作者研究了完全球对称、密度均匀,没有旋转,没有压力的理想恒星的坍缩过程。在这种完全理想的前提下,恒星的质量大到一定程度,黑洞的形成是不可避免的,从而形成与外界宇宙隔离的视界(Horizon)。那么,黑洞中心会形成什么呢?奥本海默并没有给出任何解释。但他的方程却暗示着,在黑洞的中心会形成体积无限小、密度无限大的奇点(Singularity)。

然而,奥本海默的模型太简单了,现实中恒星多少都有旋转,不可能完全不受干扰保持完美球对称。因此,任何非完美的恒星在坍缩的过程中,存在发生反弹的可能性,不会在中心形成奇点。关于这一点,前苏联物理学家栗弗席兹(Lifshitz)曾给出过证明。

1964年,英国数学物理学家彭罗斯(Roger Penrose)利用拓扑学的方法证明,无论有什么干扰,在坍缩黑洞的中心会不可避免地形成奇点,

641-4.jpeg1970年,霍金和彭罗斯证明,我们的宇宙在大爆炸的开端有一个时空奇点。

1970年,霍金和彭罗斯证明了,在广义相对论的框架下,我们的宇宙在大爆炸的开端也有一个时空奇点,如果有一天再发生坍缩,必然在大挤压中再次形成奇点。这就是著名的奇性定理(singularity theorems)。

2、霍金辐射

在大家心目中,黑洞是那种只吃不吐的引力怪物。没有任何东西能够逃脱黑洞的束缚,包括光线。上面的认识都是基于经典的广义相对论,当考虑到量子场论效应时,头脑中的观念就要发生改变了。

641-5.jpeg霍金辐射示意图

真空并不是完全的空,而是充满了起伏不定的量子涨落,各种正、反虚粒子对不断产生和湮灭。黑洞视界附近是一个危险的区域,通常那里潮汐力很强,会把“虚粒子对”拉开一定距离,当“虚粒子对”得到足够多的能量时,就会转化为真实存在的实粒子,当处于视界外的粒子飞走时,就带走了黑洞的能量,也是带走了黑洞的质量。这样,黑洞质量就会逐渐变小,该过程又称为“黑洞蒸发”。

另一个等价的图景:一个虚粒子带正能量、一个带负能量,负能量的粒子更容易被黑洞吞噬,留下正能量的粒子逃离黑洞,从而带走能量和质量,黑洞因吞噬了负能量粒子而损失了能量和质量。这也是霍金在《时间简史》中描绘的图景。

根据霍金辐射的计算公式,黑洞的温度与质量成反比,通常黑洞的温度都是非常低的。太阳质量的黑洞,温度只有60纳开,这样的黑洞从宇宙背景辐射吸收的能量要大于因辐射损失的能量,因此永远不会蒸发掉。

理论上,月球质量的黑洞,其温度和宇宙背景辐射的温度相当,恰好能做到收支平衡。因此,可以想象,小质量的黑洞温度会更高。如果粒子对撞机能产生黑洞的话,那么会因霍金辐射而瞬间蒸发掉的,因此无需担心那样小的黑洞吞噬地球。

有理论推测,在宇宙大爆炸初期,会形成小质量的原初黑洞(Primordial black holes),这些小黑洞温度很高,寿命相对较短,会释放出高能伽马射线。如果能探测到这种伽马射线,就能验证霍金辐射的存在。然而,到目前为止,还没有得到令人信服的观测证据,因此霍金也一直没能获得诺贝尔奖。

3、黑洞面积定理

1971年,霍金理论发现,当黑洞发生碰撞合并时,新形成黑洞的视界面积不能小于合并前黑洞视界面积之和。

641-6.jpeg2015年及其随后几次黑洞合并事件都验证了黑洞面积定理的正确性。

2015年9月14日,物理学家首次探测到来自14亿光年外两颗黑洞碰撞产生的引力波,两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳质量和36颗太阳质量,合并形成黑洞的质量为62颗太阳质量,损失的3颗太阳质量以引力波的形式释放到宇宙空间。

根据广义相对论,黑洞的视界半径与质量成正比,因此黑洞的视界面积与质量的平方成正比。简单的计算就会发现,合并形成的黑洞的视界面积大于合并之前两颗黑洞视界面积之和。后续的几次黑洞合并事件,也都没违反黑洞面积定理。该定理为黑洞合并产生引力波的效率设定了上限。

曾经有人预测,霍金会因这项工作荣获诺贝尔奖,但直到去世都没能获得这一殊荣。

4、无边界宇宙模型

1981年,霍金在梵蒂冈召开的一次学术会上提出一个猜想:宇宙没有边界,也没有开始和结束。1983年,他与吉姆·哈特尔(Jim Hartle)利用量子力学和广义相对论严格论证了他的这个猜想。他们认为,在宇宙大爆炸之前,时间是不存在的,谈论宇宙何时开始没有意义。宇宙大爆炸经典模型中的“奇点”被像北极那样的点代替。虽然人们抵达北极后再也无法继续往北前进,但那里并不存在真正的边界。

三、霍金的科普成就

1982年,霍金首次打算写一本有关宇宙方面的科普读物,有部分原因是为女儿挣一部分学费,主要还是为了向大众普及宇宙学方面的最新进展。经过几年的努力,期间经历了很多曲折,1988年4月《时间简史》首先在美国出版,首次印刷了4万册,很快就供不应求,出版社赶紧加印,据说夏天还没过完,在美国就卖出了50万册。当年6月,开始在英国出版,几天之内,在伦敦被抢购一空,高居畅销书排行榜首位。

641-7.jpeg1988年6月6日霍金接受美国广播公司采访。

在随后的这些年,《时间简史》被翻译成不下40种文字,全球的累计销量早已超过1000万册。

霍金曾说:“一本科学方面的书籍能和明星的回忆录竞争,也许这样人类才有希望。我很高兴这本书能为一般大众所接受,而不仅仅是学者。当今时代,科学起了巨大的作用,所以我们每个人对于科学是什么都应该有一些概念,这是非常重要的。”

除了《时间简史》之外,霍金还写了大量的科普书籍向公众进行科学宣传。例如:《时空本性》、《果壳中的宇宙》以及《大设计》等等一些优秀作品。

四、霍金的太空梦想

1、乘坐“零重力”公司的飞机体验失重

641-8.jpeg2007年4月26日,霍金搭乘“零重力”公司的飞机在大西洋上空体验失重。

2007年4月26日,霍金搭乘“零重力”(Zero-G)公司的飞机在大西洋上空进行了失重体验。

医护人员将霍金扶到飞机的前排,让他背靠一块特殊的泡沫枕垫。然后,飞机上冲到万米高空,再急速俯冲回距离地面七千米处,使霍金和其他乘客体验一次25秒的失重状态。霍金这次探险,共完成了8次俯冲,累计3分20秒的失重状态。

飞行前,霍金在接受记者采访时说:“你可以想象,我非常兴奋,在轮椅上呆了差不多四十年,现在能够体验零重力飞行真是太好了。”

2014年霍金在与国际空间站宇航员对话时说:“2007年,我有幸搭乘“零重力”航班体验了失重飞行,对我来说那才是真正的自由。熟悉我的人都说从未看到过我如此灿烂的笑容,在那短暂的几分钟里,我是超人。像你们这样能当6个月的超人,我只能想象了。”

2、参与突破计划

2015年7月20日(阿波罗登月纪念日),以色列投资人尤里·米尔纳(Yuri Milner)向公众宣布“突破聆听计划”(Breakthrough Listen),旨在通过全球顶级的射电和光学望远镜发现外星人存在的信号。该计划还有一封由著名科学家签名的公开信,包括霍金。霍金说“宇宙中,一定存在其他生命,现在是寻找答案的时候了,没有比这更重要的事情。”

641-9.jpeg2016年4月12日,霍金亲临现场为“突破摄星”计划站台。

2016年4月12日,尤里o米尔纳又宣布了“突破摄星计划” (Breakthrough Starshot)。霍金亲临现场为该计划站台助威。

该计划设想在地面上建设激光阵列,然后利用激光产生的光压推动极薄、极轻的光帆高速前进,在200万千米的距离上完成加速过程,并使光帆的速度达到光速的20%!以这样的高速奔向最近的半人马座阿尔法恒星系统(4.3光年)仅需20年。

641-10.jpeg尤里o米尔纳在展示摄星计划中的芯片模型。

光帆携带一个厘米大小的芯片,小小的芯片上面集成有核电池、微处理器、导航系统、通信系统、以及高清相机等等,真可谓是“麻雀虽小,五脏俱全”,是一枚真正的探测器。为了节约加速能量,光帆和芯片的质量限制在克量级。光帆和微芯片的组合体可以成群地运行在地球轨道上,等待激光阵列的加速一个个奔向深空。

641-11.jpeg“突破摄星”计划的光帆飞行器需要强劲的地面激光阵列供能。

当然,这个激进的设想给当前人类的科技水平提出了很大的挑战!激光器的连续输出功率要求为100吉瓦(1亿千瓦),相当于五个三峡水电站的输出功率。这样强大的激光对光帆来说简直是噩梦,在承受极大光压的同时,还要承受极高的温度。抵达目标后,微芯片探测器想要把信息发回4.3光年之遥的地球并接收难度极大,因为芯片的发射功率实在有限。

我们知道,霍金为人类的命运操碎了心,他一直鼓励像这种前瞻性的研究,鼓励人类探索宇宙的尝试。但愿该计划进展顺利,让我们这代人有机会目睹奇迹的发生吧。

五、霍金与中国

1985年,霍金分别在中国科学技术大学和北京师范大学做了科学演讲。那次,他首次登上了长城,成为了他一生难忘的旅途记忆。

2002年,霍金再次到北京参加国际数学家大会,并再次登上长城。

641-12.jpeg2006年6月18日,霍金来到天坛祈年殿前静静的坐在轮椅上与天地对话。

2006年,霍金第三次到北京参加国际弦论大会,并在人民大会堂做了“宇宙的起源”为题公开演讲。

641-13.jpeg霍金在2017年腾讯WE大会上做视频演讲。

2017年,霍金“现身”在北京举办的腾讯WE大会。由于他行动不便,腾讯专门派了一个团队前往剑桥大学,提前录制了霍金的演讲,在大会现场作为开场视频与大家分享。

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霍金去世后,他的爱女露西·霍金(Lucy Hawking)继续延续父亲的科普事业。2019年,露西·霍金出现在首届“腾讯青少年科学小会”上,并做了《想象力是推动科学进步的原动力》为主题的精彩演讲,并给现场的热爱科学的青少年们进行了答疑解惑。

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本文作者作为霍金的粉丝,最大的遗憾是没有亲自见过霍金一面。在“腾讯青少年科学小会”上,非常幸运地与露西·霍金进行了面对面交流,算是弥补了遗憾。

霍金的一生是与病魔抗争的一生,是仰望星空的一生。借他2006年接受央视采访时说过的一段话作为本文的结束:“虽然我的身体条件有限,但我的思想能够自由探索宇宙,回到时间的起点和深入黑洞当中,人类的探索精神无极限。

(文章为作者独立观点,不代表艾瑞网立场)
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