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《时间简史》一书的发表,霍金成“网红”体质;爱因斯坦被怼?!

14岁女孩智商超越爱因斯坦和霍金

作为最广为人知的当代科学家之一,霍金这几年表现出了'网红体质'。最近几天,他就又在微博上了热搜榜。先是出来一条已经被澄清的谣言,说霍金'警告人类不要尝试登月,月球背面有外星人';之后又来了一条真的警告,他在挪威一场会议上说,人类若想生存下去,就必须在200到500年内在太空中找到新家。'我坚信人类应该离开地球。'

爱因斯坦和霍金

相比于众多前辈,霍金无疑是'接地气'许多,他是'高高在上'的科学家,却来到我们身边,开了微博、讲了段子、还和邓超互动……成了让我们亲近的'网红';另一方面,多年来,通过种种渠道和方式,霍金对许多人来讲都可以算是'我从小听着你的故事长大的'人物了,'身残志坚'是他的代名词:21岁确诊运动神经疾病的青年,被预告只能再活5年,却一直到今天都在发展理论物理的前沿。

时间简史

在红遍全球的《时间简史》中,霍金探索了时间和空间的奥秘,并对宇宙的本性、空间和时间、黑洞、时间箭头等问题进行阐述。而《我的简史》则是霍金的自传,讲述了一个炮火中诞生的英国男孩,是如何'倔强地'成长为今天我们所尊崇的坐在轮椅上的巨人。他还和女儿露西·霍金共同创作了小说《乔治的宇宙》'三部曲',是写给孩子们看的科普书。和他相关的著作、传说、纪录片、电影更是不胜枚举,他自己客串了热门美剧《生活大爆炸》,以他为主角的《万物理论》使'小雀斑'捧回奥斯卡影帝奖杯。

时间简史

科学的语言需要一个'翻译',霍金做的,就是这样的工作。当有人用高深的数学语言致力于将我们头顶的星空看得透彻点、再透彻点的时候,也需要有人告诉我们他们发现了什么,所以更多的人可以知道在离我们遥远的彼端,正在发生什么。霍金的工作是对大众科学思想的启蒙,一本本著作用通俗易懂的方式,梳理佶屈聱牙的物理问题和宇宙奥秘,吸引更多的人去关注、理解头顶的星空和自然科学的发展。

'万物理论'有实现的可能性吗?

'万物理论'是物理学家们企图将世间万物统一于一个理论中的追求,他们希望通过找到一个单一理论就能够描述整个宇宙。

而在物理学界,爱因斯坦说,'上帝不会掷筛子',所谓的随机性和不确定性只是人们认识的问题而不是宇宙本身的属性。从牛顿到麦克斯韦再到爱因斯坦,宇宙与地球、电力与磁力、时间与空间在理论探索和实验证明下不断证明了其'万物'的可能性。

霍金预言:我预料本世纪某时我们将会发现一个完备的统一理论,利用那些基本定律,我们能够建立的复杂性是没有限度的。

'万物理论'有实现的可能性吗?

在目前看来,两种理论最有可能成为万物理论,一是广义相对论,二是量子场论。前者专注于研究宇宙中的大尺度问题;后者则是极小空间下的科学,探索解释最小尺度的粒子行为。

爱因斯坦提出的广义相对论解决了牛顿的引力理论在某些情况下不能适用的疑问,比如当遇到宇宙中的极端速度,或者是超强引力时的情况,水星的运行轨迹即是一例。爱因斯坦提出,引力应由弯曲时空的度规来体现,物理定律在任意坐标系中都采取同样的形式,而时空度规应满足爱因斯坦场方程。广义相对论是相对性原理、光以及引力三者和谐共存的理论。

然而,正如上述指出的,粒子不同于一个苹果或是大型天体,它并不遵循牛顿和爱因斯坦创立的定律,爱因斯坦的理论在这时可能也不能是'万物理论';但霍金开创地利用极小空间制度下的科学去研究大尺度的时空,使'万物理论'的发展又前进了一步,这正是我们熟悉的'量子理论'。

说到'量子理论'必然要谈到'黑洞'。在牛顿力学中,每个天体都有一个逃逸速度,只有投掷速度超过它时才能够成功摆脱天体,可是,如果天体的引力足够大时,这个速度也是足够大的,没有任何物体可以挣脱这个天体,包括光。这样的天体只能吞噬,不能释放,不能散发热量,也无法发射光,因此拉普拉斯才说,'宇宙中的最大星体可能是看不见的',而美国物理学家惠勒将这种'看不见的星体'命名为我们今天熟悉的'黑洞'。

黑洞无毛?

过去爱因斯坦还专门撰文表示没有黑洞的存在,只是因为恒星不能在自身引力作用下坍缩。

这就涉及到了'黑洞'是如何形成的问题,惠勒在上世纪五六十年代中强调,恒星是会坍塌的。在一颗正常恒星的几十亿年寿命的大部分时间里,支持恒星对抗自身引力的力量来自于恒星内部的热压力,热压力产生于恒星内部的核聚变的爆炸力。然而,恒星最终必将耗尽它的核燃料,失去与自身引力对抗的热压力,这时候恒星就会收缩。相对较小的恒星会收缩成致密的白矮星,但很大质量的恒星则会收缩到具有无限密度的单独的一点,这样的一点被称为奇点,黑洞就此产生。奇点是霍金数学研究的典型主题,它不仅标志着恒星的终结,也有关整个宇宙的起点。

这是不是猜想,而是有科学依据的。黑洞是有边界的--事件视界。在视界上,引力的大小恰好足以把光拉曳到视界内并防止它逃逸。因为没有任何东西的速度比光还快,因此经过视界的所有其他东西也必然会被引力拉曳回去。这就好比乘舟穿过瀑布,在瀑布上游,如果你桨划得足够快,就能够逃脱掉下瀑布的命运, 然而一旦到达了瀑布边缘,再怎么划桨都无济于事了。瀑布好比黑洞的事件视界,速度不够快,必然会掉入黑洞。

进了黑洞还有救?

雅各布.伯肯斯坦提出了柏肯斯坦定理,认为引力坍缩产生的黑洞会快速地在一个静态安顿下来,这个态只用三个参数就能表征:质量、角动量(旋转的状态)和电荷。除了这三个性质,黑洞不保留已坍缩的天体的任何其他细节,大量信息被丢失,这也就是惠勒所说的'黑洞无毛'。'黑洞无毛定理'使得黑洞研究变得极度纯粹,直击自然的核心奥妙。霍金认为,只要能理解黑洞以及它们如何挑战时空的本性,我们就会更接近揭开宇宙的奥秘。

那么黑洞真的'无毛'吗?真的所有东西都无法从黑洞逃逸吗?霍金在1974年利用量子力学研究黑洞附近的粒子行为时发现,黑洞似乎是在以稳定的速率发射粒子,而飞离的粒子的谱是精确地热性的,这些计算首次表明,黑洞不一定是只出不进的,它会产生并发射粒子和辐射,这也就是著名的'霍金辐射'。

量子力学表明,整个空间充满了虚粒子和虚反粒子组成的虚粒子对,他们不断地成为实体又分离,再次碰撞并湮灭,而当其中一个虚粒子恰好在视界边缘落入黑洞,另一个则无法湮灭,它可能落入黑洞,也可能逃逸,成为黑洞的辐射,黑洞并没有想象的那么黑。体积庞大的黑洞泄出粒子的速度慢,难以检测。但霍金认为,若有一天他可以获得诺贝尔奖,就是因为有人能够发现体积稍小的'微'黑洞,这种'微'黑洞存在,且辐射量大。一个像山一样重的'微'黑洞足以给整个地球提供电能。

霍金的诺贝尔奖就要靠这个能给地球充能的'微'黑洞了

霍金将黑洞比喻为烧毁一本百科全书,留下的烟灰仍然保留着百科全书的信息,只是变得难以阅读。信息进入黑洞同样如此,霍金在数学上证实了粒子在超平移的过程中,在视界中植入大量只有在量子框架下才能看到的'软毛',刺激信息被储存在事件视界里,由三维成为了两维的全息图。换言之,如果你掉入了黑洞中,不要害怕,你还存在,只是还需要科学家进一步的研究和发现才能将你还原成本来的样子。知道这个消息不知道是否鼓舞了不少人探索宇宙的热情。

霍金坐在轮椅上,凭着有限的身体活动能力和无限活跃的大脑证明了宏大宇宙中渺小粒子存在的可能性。他说:'我所做的仅是证明,宇宙起始的方式可以取决于科学定律。在那种情形下,没有必要哀求上帝去决定宇宙如何起始。这并非证明没有上帝,只是说上帝是不必要的。'

霍金说的可能不一定是对的,他关于黑洞的研究和猜想有合理性也有存疑之处。可是知道有像他一样的许许多多科学家在努力解密着我们头顶的星空,总让人有些安心。

起止是遥远的星空,其实对每个人来说,如果你觉得自己掉入了一个'黑洞',那还请记得'它并不如同想象中的那么黑,它不是永久的囹圄……所以永远也不要放弃,总有逃命之路',所谓“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村”嘛!

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