首页 我的图书馆 个图VIP 联系客服

看到好文章,想保存怎么办!

下载APP
雅各布·贝肯斯坦和黑洞

2015年8月17日,噩耗从 Jonathan Oppenheim的推特中传来,来自希伯来大学的以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)逝世,享年68岁。


雅各布·贝肯斯坦(1947-2015)


当我们提起现代物理学中最广为人知的概念之一——“黑洞”,我们首先想到的或许是斯蒂芬·霍金和基普·索恩(很多人知道他可能是因为前段时间火热上演的《星际穿越》)。除了他们,其实还有很多顶尖的头脑为理解黑洞做出了举足轻重的贡献,而多数人在物理学界外都默默无闻。贝肯斯坦就是其中之一。2015年,他刚被授予了爱因斯坦科学奖(Eistein Prize),以表彰他在黑洞熵的突破性工作,开启了黑洞热力学领域,为量子力学和引力的统一架起桥梁。


黑洞,其实是广义相对论中爱因斯坦方程的一个特殊解。1916年,德国物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild),基于爱因斯坦刚刚发表的广义相对论,他全身心投入试图找到方程的解,并以此专注来缓解战争的恐惧。他在计算空间的曲率时,遇到了一个难题——方程式在某一点上似乎“爆炸”了。当时并没有人知道在那个点上发生了什么,而今天这一点便是广为人知的黑洞视界(event horizon)。就在他找到黑洞的史瓦西解后,由于在第一次世界大战中,患上了一种罕见而极为严重的皮肤病——天疱疮,因病去世,年仅42岁。1968年,约翰.惠勒首次提出了“黑洞”的说法,今天我们已经有十足的把握证明黑洞并不仅仅是个假想物体,而是真真实实的遍布在我们的宇宙中。


史瓦西对自己的计算结果困惑不已是可以理解的。试想,黑洞的引力强到甚至连光都无法逃脱,那注定了黑洞要被披上一层层神秘的面纱。亚瑟·爱丁顿爵士(于1919年观测日食验证了广义相对论)曾经说,“如果有人指出你心爱的宇宙理论和麦克斯韦方程矛盾,那麦克斯韦方程也许会倒霉。如果你的理论和实际观察矛盾,实验物理学家有时候是会把事情搞砸。但如果你的理论和热力学第二定律矛盾——那我不能给你一丝一毫的希望;你的理论必将在最深重的羞辱中轰然坍塌。”


正如爱丁顿所担忧的,雅各布·贝肯斯坦发现,当时我们对黑洞的描述和热力学第二定律是冲突的。如果我们有一团热气体,它里面分子在快速乱飞,因而很无序,我们用“熵”来测量一个系统的无序程度,因此熵很高。把这团热气体丢进黑洞里,一旦跨越了黑洞的视界,熵就消失了。这就违反了第二定律。唯一的解决方法便是黑洞必须有熵。


1972年,贝肯斯坦还是普林斯顿的一名研究生,发表了一篇论文《黑洞和熵》。他提出,事件视界的面积既是黑洞熵的量度。由于携带熵的物质落到黑洞中去,它的事件面积就会增加,这样黑洞外物质的熵和事件视界面积的和就永远不会降低。同时,由于信息和熵之间有密不可分的关系,他也证明了在一个有限的空间内所能包含的信息有一个上限,即“贝肯斯坦上限” (Bekenstein bound)。



所以这个结论到底有什么卵用?在过去的40年,一些理论物理学里最重要的观点都是基于贝肯斯坦深刻的洞见,比如霍金辐射黑洞信息悖论全息原理和持续不断争论中的黑洞火墙悖论。而这些最终都将帮助物理学家完成万物之理——量子引力论,一个可以解释所有物理现象的理论。


当今物理学的两大基石,一个是广义相对论,一个是量子力学。广义相对论一般用来处理宏观世界——比如引力和时空弯曲;而量子力学一般用来对付微观世界——比如亚原子。黑洞的质量非常巨大,同时又非常致密,能把这巨大的质量压到很小的一点上——奇点,这样两者就都适用——然而物理学家发现它们走到一起似乎会产生矛盾。


自然界中有四种基本力,即引力、电磁力、强力和弱力。物理学家希望最终可以找到一个统一理论,该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。然后引力和剩下的几种力看起来简直大相径庭,引力跟他们相比太弱了。他们间所属的理论也不同:引力归广义相对论管,而电磁力之类的则是量子力学。二者的矛盾必须调和,要调和必须找到一个二者都能发挥作用的地方——而黑洞就是这样一个地方。


贝肯斯坦已经为我们埋下了种子,而这颗种子可能是我们解决量子力学和广义相对论之间矛盾的关键,进而得到完整的量子引力理论,为理论物理学开启一个新的篇章。


贝肯斯坦——一位你或许从未听说过的科学家,在物理学留下了无比珍贵的魁宝。R.I.P. 贝肯斯坦,你将会被世人怀念,更重要的是你的思想将启发一代又一代的科学家。




扩展阅读

1. 斯蒂芬 . 霍金 :《时间简史》

2. 李 . 斯莫林:《通向量子引力的三条途径》


— The End —


本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,可拔打24小时举报电话4000070609 或 在线举报
来自:我爱李静图书馆  > 物理
举报
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
雅各布·贝肯斯坦和四十年的黑洞传奇
腾讯新闻
量子引力的探针:黑洞物理
约翰·惠勒:一个世纪的隐喻工作者(组图)
量子引力在我家中?
著名物理学家赵峥为您科普:神坛上下的霍金
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击右上角三个点联系客服!