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霍金究竟做出了什么样的贡献?以至于每个人都在祭奠他?

斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking),1942年1月8日出生于英国牛津,先后毕业于牛津大学(University of Oxford)和剑桥大学(University of Cambridge)三一学院,并获得剑桥大学博士学位。

大学期间,21岁的霍金不幸被发现患有一种不寻常的早发性、慢发性肌萎缩性脊髓侧索硬化症,俗称渐冻症。当时,医生曾诊断身患绝症的他只能活两年,但意志坚强的他克服身患残疾的种种困难,在1965年取得了剑桥大学博士学位,并进入剑桥大学冈维尔和凯厄斯学院任研究员,继续进行研究工作。学习期间,他曾在研究宇宙起源问题上,创立了宇宙之始是“无限密度的一点”的著名理论。

霍金的成名始于对黑洞的研究成果,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迈出了重要一步。他在经典物理的框架里,证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性:黑洞越变越大,但在量子物理的框架里,黑洞因辐射而越变越小,大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平,而且整个宇宙正是起始于此。他还认为,宇宙是有限的,但无法找到边际,这如同地球表面有限但无法找到边际一样,时间也是有开始的,大约始于150亿到200亿年前,这就是著名的封闭的宇宙模型。

在霍金做出的众多贡献中,最具影响力的是奇点定理和霍金辐射。在介绍这两个研究成果之前,我们先来科普一下什么是黑洞:

根据爱因斯坦的广义相对论,人们发现宇宙中会存在一种特殊的时空区域,它的质量之大,引力之强,足以“吸”任何物质,甚至是光。所以人类目前也没有办法直接观测到它,人们给它起了一个形象的名字——黑洞。不过,凭借间接的观察及计算来看,科学家还是确认了它的存在,而霍金的这两项贡献都和黑洞密切相关。

奇点定理:

奇点定理是指:黑洞里必然有一个体积无限小、密度无限大的“奇点”。虽然这个奇点违反常规的物理理论体系,但这却是霍金通过严密的数学计算得出的,我们无法回避它的存在。不仅如此,霍金和罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)还进一步推论:我们的宇宙也是从这个奇点开始,逐渐膨胀成为我们现在的宇宙的,这就是我们所熟知的宇宙大爆炸理论。在此之前,宇宙大爆炸理论只能是个被很多人认可的猜想和假说,但霍金则用理论和严格的数学公式强有力的说明了大爆炸的起因和原理。奇点定理本质上是从爱因斯坦广义相对论出发,进行的一些重要的数学推演。而这项研究,对于人类理解黑洞和宇宙,有着重要的意义。

霍金辐射:

1974年霍金发表了《黑洞在爆炸吗?》一文。这是20世纪引力物理在爱因斯坦之后的最伟大论文。在论文中,他把量子理论效应引进了黑洞研究,证明了从黑洞视界附近会蒸发出各种粒子,这种粒子的谱犹如来自黑体的辐射。随之黑洞质量降低,温度就会升高,最终导致黑洞的爆炸。在这被称为霍金辐射的场景中,量子理论、引力理论和统计物理得到了完美的统一。黑洞理论是科学史上非常罕见的例子,它首先在数学形式上被详尽的研究,后来才在天文学的许多观测上证实了它的普遍存在。现在,人们的共识是,每个星系的中心都是一颗极其巨大的黑洞。

那么黑洞是如何消失的呢?

物理学家曾经认为,没有任何东西可以逃脱黑洞。但霍金根据量子理论认为,黑洞应该能够放出热量,并最终消失。这个过程对于正常的黑洞来说是缓慢的。与太阳同等质量的黑洞将花费更长的时间蒸发。但质量较小的黑洞蒸发得更快,它们在临近生命的末期将以惊人的速度释放热量。在最后的十分之一秒,黑洞可能爆发与一百万个百万吨级的氢弹爆炸相同的能量。

此外,霍金还证明了黑洞“无毛”定理:无论什么样的黑洞,其最终性质仅由三个物理量(质量、角动量、电荷)惟一确定。即当黑洞形成之后,只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他一切信息(“毛发”)都丧失了,黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质,对前身物质的形状或成分都没有记忆。

霍金的成就还有很多,下面就让我们简单的回顾一下这位伟大的科学家的一生:

1963年,霍金被诊断出患肌萎缩性侧索硬化症,俗称渐冻症,在美国被叫做卢伽雷氏症;

1965年,和当时的女友简结婚;

1967年,第一个儿子罗伯特出生;

1970年,女儿露西出生;

1973年,首部著作《空时的大型结构》出版;

1974年,宣布发现黑洞辐射,并成为英国皇家最年轻的学会会员,此后他的研究转向量子引力论;

1975年,任重力物理学高级讲师,并成为美国加利福尼亚理工学院费尔柴尔德讲座功勋学者;

1978年,获世界理论物理研究的最高奖——爱因斯坦奖;

1979年,担任卢卡斯讲座数学教授(曾经是牛顿担任过的职务),并出版《广义相对论评述:纪念爱因斯坦百年诞辰》,同年第二个儿子提莫西出生;

1981年,无边界构想《超时空和超引力》出版;

1983年,出版《宇宙之始》;

1985年,实行气管造口手术时失去语言能力,表达思想唯一的工具是一台电脑声音合成器;

1988年,《时间简史:从大爆炸到黑洞》出版,获沃尔夫基金奖,至今销售2500万册;

1990年,与结婚25年之久的妻子简·怀尔德离婚;

1993年,《黑洞与婴儿宇宙及其它论文》出版;

1995年,与他的护士伊莱恩·梅森结婚;

2001年,出版《果壳中的宇宙》,获得安万特科学图书奖;

2010年,出版《大设计》,这是霍金在《时间简史》之后最重要的著作,它凝结了霍金自《时间简史》出版之后20多年间,对科学和哲学的探索成果,以及对这些学科的未来展望;

2018年3月14日,史蒂芬·霍金与世长辞,终年76岁。霍金被誉为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。

除了科学研究的卓越成就外,霍金也充满表演欲,曾经演出过很多影视作品。如在动画影集《辛普森一家》《飞出个未来》与情景喜剧影集《生活大爆炸》中的客串演出,并在《辛普森一家》系列动画片中的一集为自己的卡通角色配音。在《下一代》影集中的《堕落》一集中,霍金饰演自己本人,在全息成像平台里与爱因斯坦、牛顿、生化人百科比赛扑克牌。著名摇滚乐队平克·弗洛伊德在作曲里特别置入霍金的“说唱”。

很多关于霍金生平的纪录片也陆续被制成,包括《真实的霍金》《霍金简介》《霍金的故事》《霍金:宇宙大师》《霍金:我的简史》等。

PS:

霍金的预言:

2032年 地球进入冰河时代,全球气候变冷;

2100年 人类进入外太空,新人种出现;

2215年地球将面临灾难性毁灭;

2600年 地球变成炽热的“火球”。

所获奖项:

亚当斯奖(1966)

爱丁顿奖章(1975)

麦克斯韦奖(1976)

海涅曼奖(1976)

休斯奖章(1976)

阿尔伯特·爱因斯坦奖(1978)

英帝国司令勋章(1982)

英国皇家天文学会金奖(1985)

保罗·狄拉克奖章和奖(1987)

沃尔夫奖(1988)

名誉勋位(1989)

阿斯图里亚斯亲王奖(1989)

科普利奖章(2009)

基础物理学特别突破奖(2012)

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