輪椅上的物理学家 ～ 霍金 ⑶

 

輪椅上的物理学家 ～ 霍金 ⑶

 

宇宙起源

1965年, 他研究彭羅斯用幾何與托普的方法, 證實了奇點的出現是廣義相對論的必然推論。他假設引力塌缩之前質量守恆, 這條件從某種程度來說又違背熱力學第二定律。1970年, 霍金與彭合作去掉一些不必要的條件。得到了「霍 - 彭奇點定理」,  就是宇宙不斷的膨脹, 如果把時間反推的話, 可以想像宇宙會不斷的縮小, 最終就會攤縮成一個大爆炸前奇點。這是目前主流天文學家和宇宙學家所共同認為的宇宙起源。

 

黑洞面積不減定理

1971年, 霍金提出了黑洞面積不減定理，黑洞形成之後隨著時間的推移, 黑洞事件的總面積只會增加不會減少。第二年,雅各布.貝肯斯坦 (Jacob D. Bekenstein ) 注意到黑洞面積不減定理, 像極了熱力學第二定律，也就是熵增定律。系統總是從有序演化到無序，過程不可逆, 而熵代表的就是系統的無序度。

 

霍金輻射

霍金反对, 黑洞沒有熱輻射哪來的熵? 但霍金之後反悔了, 他想到傳統的黑洞研究只考慮到了廣義相對論。如果把量子力學也放進去考慮的話, 情況就不一樣了。因為在空間的任何地方, 都有許多的粒子和反粒子在瞬間產生，又瞬間湮滅。看似空空的地方, 其實也是暗流洶湧的。無數的粒子反粒子, 方生方滅, 流動不息。黑洞的邊界也是如此，如果在事件視界上有一個瞬間產生的反粒子, 被黑洞吸收了, 那麼與之成對本該湮滅的粒子，就不会湮滅了。他將作為一個持續存在的真實的粒子, 出現在視界上, 從觀察者的角度來看，就相當於黑洞發射出來一個粒子。同理若被黑洞吸收的是粒子, 那麼發射出來的將是反粒子，這效應最後就叫做《霍金輻射》。

 

若把量子力學也考慮進來的話, 黑洞並非絕對的黑，並非一直隻只進不出的貔貅。若有光子輻射出來的話, 黑洞就不再是一個沒有溫度的天體。因此黑洞不是必然會長大的，如果他不斷的吸收反粒子，也可能會越變越小最後消失掉。1974年或經將這理論以黑洞爆炸為題發表在了自然雜誌上引起了巨大的反響。

 

1978年, 霍金在接受採訪時表示,如果你問我一個人掉進黑洞後會發生什麼, 我會毫不猶豫的告訴你，這個人不太可能會活下來。雖然構成這個人的原子不會回來，但是它的質能會回饋給整個宇宙。換句話說, 宇航宇航員不幸掉入了黑洞, 黑洞的質量會增加，但增加的能量將以輻射的形式歸還給宇宙。

 

霍金輻射如何巧妙地將重力和量子力學聯繫起來, 來解釋宇宙中最神秘的天體之一黑洞。他的導師丹尼斯夏默(Dennis W. Sciama) 稱讚这的論文是物理學史上最美麗動人的論文。1979年, 霍金成為了劍橋盧卡斯教授。是劍橋大學授予數理學者的一個最高榮譽職位。經典力學牛頓, 和量子力學大神狄拉克, 都獲此榮銜。

 

沒有獲得諾貝爾獎

霍金大部分研究成果都停留在理論階段, 因此沒有獲得諾貝爾獎。人類目前的科技水平而言, 很難用實驗對霍金的理論進行驗證。

 

2020年, 去世兩年之後，霍金的老友羅傑彭羅斯獲得諾貝爾獎，表揚他發現的黑洞的形成是廣義相對論的堅實預言。彭羅斯的奇點定理說，引力塌縮下，普遍存在奇點，即質量集中的一個點（體積為0），因此在這個點，密度和時空彎曲程度都是無窮大。 另一半, 頒給萊因哈德.根澤爾(Reinhard Genzel) 和安德烈亞.蓋茲(Andrea Ghez)兩人, 表彰他们發現銀河系中有一個超大質量的質密物体。按規定諾貝爾獎不會授予已經離世的人。

 

2016年，美國的激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布，他們於2015年直接探測到引力波，這個引力波來自兩個黑洞並合成為一個大黑洞。觀測結果驗證了霍金提出的黑洞視界面積不減。黑洞的視界它的面積正比於質量的平方。比較並合前後的黑洞總質量可以發現，大黑洞的質量平方大於原來兩個黑洞的質量的平方的和，因此總視界面積增加了。後來又探測到幾次黑洞並合所產生的引力波，結果都與黑洞面積不減定理一致。

 

科普作品

1988年霍金出版了《時間簡史》一書，全球累積銷量超過了兩千五百萬冊，創造了科普史上的神話。在科普方面他的成就可以說是無人可及的, 絕大多數的讀者還是無法理解, 霍金在他的物理领域裡, 真正作了什麼。許多人對《時間簡史》這本書都看不懂, 還是硬著頭皮看下去。除此之外霍金還出版了「果殼中的宇宙」、「大設計」、「我的简史」、「十問:霍金沉思錄」等科普作品。