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有的人死了但他还活着:霍金的三大科学贡献 - 霍金 - IT之家

来源:http://www.ytymp.com 作者:美高梅官方 时间:2020-05-15 22:44

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臧克家在1949年纪念鲁迅逝世十三周年写道:

*《A Brief History Of Time(时间简史)》,一部跨时代的科学著作。*

出品| 新浪科技《科学大家》

2019年3月14日,是霍金去世一周年的忌日。

一、数据证明《时间简史》拥有跨时代的意义。

《A Brief History Of Time(时间简史)》在科学领域拥有崇高的地位。*

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它将物理学、天文学、宇宙学中具有里程牌性的学术理论(如:牛顿三定律、宇宙膨胀、狭义相对论、广义相对论、时空观、量子理论、量子力学、大统一理论、量子宇宙学、M理论等)进行了通俗的讲解。使科学更大众化。具有里程碑性的意义。

撰文| 张轩中 科普作家

霍金是属于“有的人死了,他还活着”的那一类人,他对人类文明发展有深远的贡献,他活在人们的心中。

二、《A Brief History Of Time(时间简史)》在科学上地位到底崇高到什么程度

*  既然《A Brief History Of Time(时间简史)》在科学界上拥有崇高的地位,那么,到底崇高到什么程度?*

研究方案:

1.查询《A Brief History Of Tima(时间简史)》在世界各地的畅销度。

2.了解《A Brief History Of Time(时间简史)》的作者。

3.从媒体评价及各渠道的评论了解。

过程:

1.刚开始查找资料时,便发现几乎没有任何需要的答案。

解决办法——

在我换了另一种问发后终于查找到了令我满意的答案:

《A Brief History Of Time(时间简史)》首次出版以来,便引起科学界的轩然大波。先后被翻译成40多中文字,销售量高达2500万册。

2.《A Bried History Of Time(时间简史)》作者——Stephen William Hawking(史蒂芬·威廉·霍金):

Stephen William Hawking(史蒂芬·威廉·霍金),出生于1942年1月8日,英国牛津。英国剑桥大学应用数学理论物理学系物理专家,著名物理学家,宇宙学家,数学家。毕业于牛津,剑桥大学,1979年至2009年任卢卡斯数学教授,后为荣誉卢卡斯数学教授(牛顿曾任此职,是人类历史上最伟大的教授职位)。霍金是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家和当代最伟大的科学家,人类历史上最伟大的人物之一,被誉为“宇宙之王”。他的代表作品有《时间简史》、《果壳中的宇宙》等,获得荣誉有总统自由勋章(2009年)、科普利奖(2006年)、沃尔夫物理奖(1988年)、爱因斯坦奖章(1978年)等。他患有肌肉萎缩性侧索硬化症(卢伽雷病),瘫痪并且不能说话。霍金的主要研究领域是宇宙论和黑洞,证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。

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3.大众对《A Brief Histroy Of Time(时间简史)》的评价:

宇宙论是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自身的生存和种族的绵延,还一代代不懈地探索者存在和生命的意义。但是,人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德——托勒密的地心说,到哥白尼——伽利略的日心说的烟花就花了2000年的时间。令人吃惊的是,尽管人们知道世间的一切都在运动,只是到了20世纪20年代因哈勃发现了红移定律后,宇宙演化的感念才进入人类的意识。人们甚至从来没有想到过宇宙还会演化。牛顿的万有引力定律表明,宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态。即使在爱因斯坦的广义相对论中,情况也好不到哪儿去,为了得到一个稳定的宇宙模型,他曾将宇宙常数引进理论中。它们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型。可见,宇宙演化的概念并不是产生于这些天才的头脑之中。

可以公平地说,哈勃的观测标志着现代宇宙论的诞生。它表明整个宇宙出于膨胀的状态。一般认为,爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典广义相对论的框架里,霍金和彭罗斯证明了,在很一般的条件下,时空一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处,所有定律以及可预见性都失效。但这需要给定奇点处的边界条件。在量子引力论中却不许如此。霍金认为宇宙的量子态是处于一种基态,可把时空看成一个有限无界的四维面,正如地球的表面一样,只不过多了两维而已。

霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙成为一门成熟的科学。它是一个自足的理论,即在原则上,单凭科学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来。因此,霍金是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。20世纪70年代他和彭罗斯一道证明了著名的奇点定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体一样发出辐射。其辐射的温度和黑洞质量成反比,这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小,而温度却越变越高,它以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。

1974年以后,他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论,但它的一些特征已被发现。在量子引力中不存在纯态,因果性受到破坏,因此使不可知性从经典统计物理 、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。

1980年以后,他的兴趣转向量子宇宙论

理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化,但就观念而言,现在已经相当完备了。

纽约书评:他机智而清晰地阐释宇宙物理的奥秘……他拥有无与伦比的头脑

物理学今日:霍金成功地完成了两部相互纠缠的书,一部是可读性极高的有关事件在物理学中作用的通俗读物,另一部是高深的评论……正式霍金只用文字传达物理学精义的本领使得这一切变得那么有趣

芝加哥论坛报:史蒂芬霍金是一位及其明晰的大师……很难想象其他任何在世的人能将这些数学上令人生畏的主题表述的更清楚

华尔街日报:当代物理学家有关宇宙组成、创生和演化的权威总结

星期日时报:童真好奇与天才智慧的结合。当我们领略霍金宇宙之际,为他精神的魅力所惊异

图书目录:这位因研究黑洞本性而名震天下的理论物理学家,作为科普作家正像他作为数学家一样游刃有余……其成果也许是大众天体物理学的最佳著作。多谢你, 霍金博士!

纽约时报:鲜明的刺激……霍金先生无疑具有教师天赋,擅长以日常生活的隐喻来诠释极端复杂的主题。

纽约客:迷人而清澈……让读者 获得直接从源泉学习高深科学的机会……一部光辉四射的巨著。

对于门外汉的我和大多数朋友来说,《时间简史》可以算是比较容易接受的理论大作,像前面众家媒体所言,霍金可以把深奥的物理学理论用生活的小例子娓娓道来,一来降低了阅读的难度,二来也吸引了很多非专业读者。真的只能用书签上的那句话来总结:阅读霍金,懂与不懂都是收获。

另外,虽然我还说不上来人择原理、卡西米尔效应、对偶性、弱电统一能量是什么意思,甚至有很多概念连名字都还叫不上来。但是通过这本书,越来感受到人类和自己的渺小。无论宇宙有没有边界,无论时间有没有尽头,任何物体都在运动,变化,创造或者灭亡。它也会过去——果然是一句至理名言。

臧克家在1949年纪念鲁迅逝世十三周年写道:

霍金是一个伟大的科学家,他以《时间简史》等科普作品为大家所熟知,他身残志坚的科学家形象也获得了普罗大众的尊敬与仰望。当然,也有一些人因为对霍金不了解,觉得他的科学成就不高,不过这是一个极大的误解——其实,这个世界欠霍金一个诺贝尔奖。

三、结论,尾声

  霍金的《A Brief Histroy Of Time(时间简史)》在科学界甚至人类史上都具有非凡的意义和地位。

  霍金的《A Brief History Of Time(时间简史)》,在世界上拥有里程牌式的意义,他是人类史上鲜有的著作。

“有的人活着,

霍金至少发现了三个物理定律,可以流芳百世。

他已经死了;

第一个定理是黑洞面积不减定理,这个定理是可以得诺贝尔奖的。这定理一开始是一个纯几何的定理(严格来说,霍金对定理的证明用到了一些限制条件,比如要求时空渐近平坦等,但定理的证明过程对于有引力波存在的时候也成立的)——在不考虑量子力学的情况下,黑洞的面积只会增加不会减少。这个定理也可以从后来的黑洞熵研究中得到启迪,因为黑洞的面积其实就是黑洞的熵,而一个封闭系统的熵总是增加的,所以从这里也可以看出黑洞面积不减定理其实等价于热力学第二定律。

有的人死了,

如果用S来表示黑洞的面积,那么霍金的黑洞面积不减定理理论上要求S_1 + S_2 < S_3。

他还活着。”

黑洞面积不减定理在2016年LIGO发现引力波的过程中被实验证实。实验表明,在两个小黑洞碰撞并合成一个大黑洞的过程中,大黑洞的面积不小于碰撞之前的两个小黑洞的面积之和。这说明霍金的面积不减定理是经得起实验检验的。因此,如果有大量的黑洞碰撞并合的引力波数据,黑洞面积不减定理不断被证实得话,那么根据这个定理,霍金是有理由获得诺贝尔物理学奖的——因为引力波的发现已经获过诺贝尔物理学奖了。可惜的是,霍金已经去世,他已经没有机会再得奖。

2019年3月14日,是霍金去世一周年的忌日。

我们可以大致解释一下为什么LIGO第一次发现的引力波可以验证黑洞面积不减定理。LIGO第一次发现引力波的文章中提到其数据拟合给出两个初始小黑洞的质量分别为29倍和36倍太阳质量,两个小黑洞碰撞并合放出引力波后变为质量为62倍太阳质量的大黑洞。

霍金是属于“有的人死了,他还活着”的那一类人,他对人类文明发展有深远的贡献,他活在人们的心中。

那么,如何来证明这件事情满足霍金的黑洞面积不减定理的理论要求S_1 + S_2 < S_3呢?

霍金是一个伟大的科学家,他以《时间简史》等科普作品为大家所熟知,他身残志坚的科学家形象也获得了普罗大众的尊敬与仰望。当然,也有一些人因为对霍金不了解,觉得他的科学成就不高,不过这是一个极大的误解——其实,这个世界欠霍金一个诺贝尔奖。

为了方便理解,我们可以假设这三个黑洞都是球对称的黑洞。对于球对称的黑洞,其黑洞的面积与球面的面积一样,都与半径的平方成正比的。对于最简单的球对称黑洞,黑洞的半径r与质量M的关系如下:

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在这个G是牛顿引力常数,c是光速。

出品| 新浪科技《科学大家》

因此,从上述公式可以看出,黑洞的质量正比于半径,而黑洞的面积正比于半径的平方,所以,黑洞的面积正比于黑洞质量的平方。

撰文| 张轩中 科普作家

因此,我们有如下重要结论:

臧克家在1949年纪念鲁迅逝世十三周年写道:

这就是黑洞面积不减定理(在爱因斯坦引力方程的控制下,多个黑洞的演化满足此定理)。这个结论其实类似于勾股定理。所以,LIGO看到的65变成62放出3个太阳质量的引力波能量的事情并不违背霍金的黑洞面积不减定理。这也是霍金可以得诺贝尔物理奖的原因。

“有的人活着,

霍金发现的第二个定理是奇点定理。关于这个定理,读者们也许可以参考霍金的专着。霍金在人间留下的不但只是《时间简史》这本科普书,其实霍金在年轻的时候还写过一本广义相对论的专着《大尺度时空结构》。在《大尺度时空结构》时空结构这本书中,霍金在书的前面章节分别介绍了微分几何与广义相对论。随后他介绍了黎曼曲率张量的物理意义——主要是介绍黎曼曲率对类时测地线与类光测地线的汇聚作用。而测地线的汇聚是一种很重要的物理现象,比如在地球仪上,地球上的所有经线都是测地线,但这些测地线在南极与北极是汇聚的。这些汇聚点被叫做“共轭点”。霍金与彭罗斯在研究测地线的汇聚的时候,在印度学者瑞查德胡里的方程的基础上,证明了着名的“奇点定理”。

他已经死了;

“奇点定理”告诉我们,在不苛刻的物理条件下,时间受到引力场的作用,总可以自发产生一个“奇点”,而这个奇点有重要的物理意义——它要么表示时间开始的地方,要么表示时间结束的地方。

有的人死了,

所以,虽然现在的科学家无法解释为什么宇宙要发生大爆炸,但科学家们已经建立了一套语言体系,在这个语境中,宇宙开始于一个奇点,而奇点也是时间开始的地方——那大约发生在137亿年前。

他还活着。”

霍金解释了宇宙开始于奇点,虽然他也无法解释为什么宇宙要启动大爆炸之旅。

2019年3月14日,是霍金去世一周年的忌日。

霍金的第三个定理是黑洞的热辐射定律。除了“黑洞面积不减定理”与“奇点定理”,霍金的这个学术贡献是关于带有量子色彩的黑洞的,霍金证明了一件很奇特的事情:如果考虑量子力学,那么黑洞不是黑的,黑洞会发光。黑洞发出来的光,被称为“霍金辐射”。霍金辐射被认为是联系了量子力学与广义相对论的纽带,它的物理意义在于,它告诉我们黑洞并不是一个死气沉沉的永恒的物体,也是会因为辐射而演化的。而且,霍金辐射是未来所有量子引力理论都必须满足的一个推论,也是任何量子引力理论正确性的判据。

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