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霍金是牛顿和爱因斯坦之后最伟大的物理学家吗?

2018-04-05

“伟大”是个不好测量的指标,“名望”比较容易测量。有一次霍金跟同事在大学餐厅吃饭,两人边吃边聊,这时候一个人走过来跟霍金打了个招呼又走了。同事问霍金“那是谁?”霍金说“那是名望”。名望差不多等于你不认识但是认识你的人的总数。霍金应该是牛顿和爱因斯坦之后最有名望的物理学家。

很难说霍金开辟了新的物理学疆域,他的主要工作基本都是在已有的框架之内的单点突破。

比如说宇宙学,早在霍金学习物理之前,有关宇宙起源的大爆炸理论就已经有了。霍金开始物理研究的时候,还有一个与大爆炸理论并列的“稳恒态理论”。也就是说,有些科学家相信宇宙起源于一次大爆炸,有些科学家不信。

霍金曾经发表论文说明稳恒态理论有问题,但是最终杀死稳恒态理论、证明大爆炸理论正确的还是有关微波背景辐射的天文观测,不是霍金的论文。不论如何,霍金出手参与之后,就没人相信稳态理论了,大家都认可了宇宙起源于大爆炸。

霍金在宇宙学中的第一个过硬的工作是和彭罗斯一起,使用广义相对论,在大爆炸理论的框架之内,从数学上证明宇宙应该起源于一个“奇点” —— 一个密度无限大、体积无限小的点。这个工作只是阶段性、纯理论性的小试身手,因为奇点内一切物理定律都会失效,这是物理学家无法接受的。

不过霍金后来把量子力学也考虑进来,证明宇宙起源的这个“奇点”的“奇性”是可以去除的,提出一个“无边界”宇宙模型,这个工作就厉害多了。

“黑洞辐射”是霍金的一个特别值得赞美的洞见。传统上我们认为黑洞就是一个……“黑”洞,一切物质掉进去就再也出不来,黑洞的质量只会增加不会减少。但是霍金考虑到量子力学的效应,就发现“黑洞不是这么黑的”。

想要理解这一点,我们首先得知道“真空不是这么空的”。量子力学要求真空中随时都在发生正反粒子的产生和湮灭。也就是说,突然之间,平白无故地就产生一个正的粒子和它的反粒子,然后这两个粒子马上又合在一起消失不见,整个过程稍纵即逝。

考虑到这一点,霍金说,如果正反粒子的产生和湮灭是正好发生在黑洞的边缘,那会出现什么情况?有一种巧合,一对粒子刚刚产生还没有来得及湮灭的时候,正好其中一个粒子 —— 因为距离黑洞稍微近了一点 —— 被拉近了黑洞,而另一个粒子 —— 因为距离黑洞稍微远了一点 —— 被留在了黑洞之外,而且还跑远了。

当然这里面还有一些物理细节我们就不详细讨论了。关键在于,因为黑洞的存在,现在世界上凭空多了一个粒子!而这个粒子是有能量的。那它的能量是从哪里来的呢?只可能是黑洞提供的!

也就是说,在这个过程中,黑洞损失了能量。根据 E=mc^2,损失能量就是损失质量,所以黑洞的质量会因为这个过程而减少。整个过程就好像是黑洞辐射出来一个粒子一样 —— 当然真实情况是黑洞释放了一个真空中凭空产生的粒子。

这个过程就叫“霍金辐射”。因为霍金辐射,黑洞会被慢慢蒸发掉。

霍金是个将才,但不是帅才。物理学的英雄人物实在是太多了。现在活着的物理学家中就有很多人比霍金厉害。

霍金的工作的技术含量可能没有别人高,但是他的工作给我们带来了观念的冲击。

对知识分子来说,霍金的最重要贡献在于他用“无边界条件”解决了宇宙起源的“第一推动”问题。我们早就知道,现在宇宙中一切事物的运动受物理定律支配,根本不需要有什么上帝。但是宇宙起源可不一样。

如果宇宙起源于大爆炸,而大爆炸之前又什么都没有,那人们就有一个非常合法的问题:从什么都没有,突然宇宙就起源了,这到底是为什么呢?是谁点燃了大爆炸?是谁提供的这个无中生有的第一推动?是上帝吗?

霍金的无边界条件,就解决了这个“无中生有”的问题。关键在于,“时间的开始”,也是量子力学的作用。

咱们打个比方。我们知道放射性的物质会“衰变”。一大堆碳-14,放在那里一段时间之后,就会有一些衰变成了碳-12。那如果我们单独只看一个碳-14原子核,你知道它什么时候会衰变、又为什么会衰变吗?

答案是没有为什么,也不知道什么时候衰变。一个没有衰变的碳-14,你只能知道他未来500年内衰变的概率。如果过了100年,它还是没有衰变,那它就还是那个碳-14,一点都没有变老!再未来五百年它衰变的概率还是那么大。原子核衰变,不需要原因。

霍金从理论上说明,宇宙起源也是这样。就好像原子核说衰变就衰变一样,大爆炸也可以说开始就开始,不需要原因。

这就从理论上彻底排除了上帝存在的必要性。这个宇宙所有的事儿都自给自足了,根本不需要上帝参与。

对物理学家来说,霍金最大的贡献可能是他对黑洞信息的研究。前面我们讲了黑洞会因为霍金辐射而慢慢蒸发掉。但是我们知道,霍金辐射出来的粒子纯粹是真空中无中生有出来的,而霍金证明,它跟黑洞内部有什么东西无关。这就有一个问题。

黑洞里的信息,哪去了?

任何一个物理过程,如果你知道当前的所有信息,你就能推算以后的信息,信息不会消失。即便考虑到量子力学,物理学家也能说明,波函数信息不会消失。

那么任何物体一旦掉进黑洞,它的所有信息就进入黑洞了。可是现在霍金证明了黑洞会被慢慢蒸发,而且蒸发过程中释放的辐射又跟黑洞内部的信息无关 —— 那岂不是说,掉入黑洞的那些信息,从此就在世界上彻底消失了吗?

这个问题刺激了无数物理学家。现在有各种解释,但是还没有达成统一意见。也许新的物理学就会从这里产生,或者至少,这个问题能被用来判断各种新物理理论的有效性。

其实物理学家很擅长提出各种理论框架。很多物理学家都有自己的“统一理论”的版本,都用到复杂的数学,都很有技术含量。但是在有明确观测或者实验验证之前,你不知道哪个对。公众的印象可能觉得能用理论预言新物理是超能力,但事实上是很多理论物理学家都在做预言,最后真正证实的很少,就好像中奖一样。

提出新观念比提出新理论高级得多。特别是你提出的这个新观念还能被人认可,经得起考验,那就非常了不起。

将来任何一个无神论者想要向人说明上帝不存在,他就不可能不提到霍金的“无边界条件”。任何一个物理学家想要研究“信息”,他就绕不过去霍金辐射。

霍金在黑洞方面的很多工作会被物理学家记住。物理学不可一日无黑洞,黑洞不可一日无霍金。比如说,霍金还证明,两个黑洞合并的话,它们的总面积……

那霍金为什么没得诺贝尔奖呢?

诺贝尔奖要求必须有充分的实验或者观测证据才行,也就是说诺贝尔奖要求你的研究结论必须肯定是对的。霍金的黑洞辐射效应非常微弱,我们距离任何一个黑洞都太远了探测不到这个辐射。至于早期宇宙的研究,也很难找到直接的观测证据,毕竟当时没有人在现场看。

不过霍金拿了诺贝尔奖之外几乎所有重要的物理奖项。这些东西对他不重要,很多诺贝尔奖工作将会被人忘记,而霍金将会被人记住。

缅怀一个英雄最好的办法就是继续完成他的使命。霍金是个纯粹的人,他一心想知道世界到底是怎么回事儿。大多数人不能理解霍金的物理理论,但是我们可以继承他的精神。

首先,这个宇宙不需要上帝。人类靠自己就可以探索宇宙的秘密,而且我们相信宇宙终究是可以被人类理解的。

霍金非常乐观,对人充满善意。霍金从来没把自己当病人,他很幽默,他的书里充满第一流的机智语言。他喜欢冒险,还经常跟人打赌。他一直到老都非常非常活跃,他想的事儿都是年轻人喜欢的东西。

霍金是个脚踏实地的人。他靠理性计算而不是靠眼望星空去探索宇宙,他不是像某些艺术家那样整天讲情怀,他从来都没有过任何顾影自怜的姿态。

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来自:zychu  > 霍金
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