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果壳宇宙的无边王者 ——谨以此文祭奠逝去的人类智者霍金教授

2018-04-03

更正

更正:各位读者,在上周五墨子沙龙活动预报中,我们误将一张青藏高原冰川的图当做极地冰川的图放在了文章中,并注释冰川水的年龄为80万年前。但根据现在的科学研究结果,绝大多数青藏高原冰川水的年龄应该不超过5万年。极地冰川水的年龄可能在几十万年甚至到上百万年,特此更正。


 图片来源:剑桥大学官网(http://www.cam.ac.uk/stephenhawking)


即便把我关在果壳之中,仍然自以为无限空间之王。

——莎士比亚《哈姆雷特》

作者 | 鄢盛丰,蔡一夫(中国科学技术大学)


每年3月14日是物理学家爱因斯坦的诞辰,但今年的这一天,更为之震惊的是另一颗巨星的陨落。笔者之一在当天中午就餐的时候,看到朋友分享了一条英国广播公司(BBC)的消息:“突发新闻:物理学家史蒂芬·霍金去世,享年76岁”。

 

霍金去世的消息也立刻被国内各大官方媒体转载,社交平台上频频转发,热度居高不下。很难相信在如今娱乐至死的年代,这是大家在悼念一位思考宇宙起源的物理学家。这种景象在历史上也发生过,同样是在英国,也是位出身剑桥大学的科学家——牛顿。在他的葬礼时,伦敦城万人空巷,各个贵族争相去抬他的灵柩。当时法国大思想家伏尔泰也在现场,并被人们对理性和科学的尊敬所震撼。

 

人们将霍金称为当代的牛顿、爱因斯坦,天才,科普网红…… 但是无论拥有多少荣耀的头衔,我们都不该忘记,霍金是一位从未停止过探索宇宙的物理学家。

 

结缘宇宙的一生

霍金出生于1942年1月8日,正好是伽利略逝世300周年纪念日(会不会给人一种被钦定的感觉?)。他17岁进入牛津大学,20岁时获得学士学位,同年进入剑桥大学攻读博士学位。他起初想师从宇宙学大师弗雷德·霍伊尔,可后来给他安排的导师是丹尼斯·西阿马,这两位宇宙学家对于霍金早期的研究影响颇深。西阿马作为一名非常优秀的科学家,对霍金有极大的帮助与激励。1973年,霍金和同门师兄乔治·埃利斯一起出版了专著《时空的大尺度结构》,并以此献给他们的导师。


弗雷德·霍伊尔

图片来源:google

 

弗雷德·霍伊尔最著名的工作是提出了稳恒态宇宙模型,并受约翰·惠勒和理查德·费曼工作的启发给出了相应的霍伊尔-纳里卡理论。霍金读博的时候对霍伊尔的理论非常感兴趣,并做了详细计算,结果发现其中产生了矛盾,并在霍伊尔的一次报告中当面指了出来。他后来将这些内容都写进了他的博士毕业论文《膨胀宇宙的性质》,给了稳恒态宇宙论沉重一击。然而该论文中最大的亮点却是最后一章,即对宇宙学奇点定理的证明。

 

霍金在博士期间的研究工作非常出色,但不幸的是,他在那时被确诊患上了渐冻症,之后逐渐全身瘫痪无法言语。但他凭借着极为顽强的毅力活了下来。他组建了家庭(不止一次),获得了博士学位,而后又获得了教职,并逐步成为了当今世界上最伟大的物理学家之一。

 

从1979年开始,霍金被授予剑桥大学的卢卡斯数学教授一职。卢卡斯数学教授席位创立于1663年,第一任是牛顿的老师兼同事艾萨克·巴罗,之后,牛顿、斯托克斯、狄拉克等十几位大师都出任过该教职。霍金在这个职位上一干就是30年。在退休前两年,也就是2007年,霍金在剑桥大学建立了理论宇宙学中心(CTC),并指出CTC的建立是为了“发展数学上自洽且可供观测检验的宇宙理论”。

 

霍金的一生从未停止过对宇宙的探索,在他做出的诸多科学贡献中,有关宇宙学方面的工作为这一领域的发展画上了浓墨重彩的一笔。作为与他仅有过若干次学术交流之缘的后辈,笔者并不认为自己具备评价这位巨匠科学生平的资格。因此,笔者在这里只能抱着最大的敬意对所从事的同行领域加以最谦逊的介绍。

 

他的思考从未离开过宇宙学

霍金在有关宇宙学方面的重要工作都是在七八十年代做出来的,主要的几个是:宇宙学奇点定理,霍金辐射,原初黑洞和宇宙波函数的哈特-霍金态。

 

在博士期间,他受到数学家罗杰·彭罗斯证明黑洞奇点定理的启发,和彭罗斯一起将其应用到宇宙上。按照广义相对论,如果按时间减小的方向,宇宙将会收缩到一个能量密度无限大的点,该点就是宇宙奇点。在这个点上广义相对论会失效,也就表明了爱因斯坦的引力理论是有缺陷的。因此,物理学家需要寻找到一种比广义相对论更为基础的引力理论来取而代之,这也为前赴后继在量子引力之路上的修行者们提供了一盏路灯。

 

幸好我们的宇宙为经典引力和量子世界发生冲突提供了一类天然试验场,那就是黑洞。70年代霍金开始转向研究黑洞动力学,他于70年代初首次证明了黑洞面积不减定理,并与巴丁和卡特提出了与热力学四定律相似的黑洞四大定律。同时惠勒的研究生贝肯斯坦首先提出了黑洞视界面积和熵的关系。然而,这些工作并没有给出有关黑洞温度的合理解释,直到1974年霍金导出了著名的黑洞霍金辐射,并完善了贝肯斯坦的想法,给出了贝肯斯坦-霍金公式。该公式中神奇地包含了玻尔兹曼常数k、普朗克常数h和引力常数G,是热力学、量子力学和相对论三大领域交汇的地方。


在霍金辐射中,他利用弯曲时空量子场论,刻画了这样一个图像:在黑洞附近的真空涨落中,可以有一对虚粒子的产生,其中一个将被黑洞吸收,而另一个将获得自由逃逸出去,这就导致了黑洞能够辐射,而且这些辐射组成了一个完美的黑体谱。与此同时,根据能量守恒,被吸收的那个虚粒子携带了负能量,于是就中和了一部分黑洞的质量,看起来就像是黑洞蒸发了一样。这一重要发现为后来的一系列理论物理发展作了极为关键的铺垫,并带出了有关黑洞信息悖论的理论疑难,成为了黑洞信息、量子信息和量子引力的研究热点。

 

霍金的思考从未离开过宇宙学。在1971年的一篇文章中,霍金提出了宇宙学中黑洞的形成机制,认为宇宙极早期的物质密度扰动可能会形成微型的黑洞。接下来的1974、1975年,他和他的学生伯纳德·卡尔陆续完善了这一想法,并给出了原初黑洞质量谱的计算。与恒星塌缩形成黑洞的传统过程不同,宇宙在极早期的量子涨落会诱生时空的曲率扰动,从而进一步产生极早期宇宙的物质密度扰动。当这个密度扰动超过一个临界值时便会有一定概率塌缩成原初黑洞。原初黑洞可以用来解释暗物质组分,也可以用来解释一些天文学观测中的反常现象以及作为一类引力波发生器的候选者,这些都是近年来宇宙学领域的热门话题。

 

七十年代末八十年代初,宇宙学中的暴胀学说异军突起,很好地解决了热大爆炸宇宙论的一系列理论疑难。霍金也迅速跟进了这些进展,他和詹姆斯·哈特在1983年提出一个哈特-霍金量子态,并描述了该态的宇宙波函数满足量子引力中的惠勒-德维特方程。该结果给出了量子宇宙学中一个极为重要的无边界假说。他们利用量子场论中的维克转动方法将实时间轴转动到虚时间轴,论证了在这一特定的量子态下,宇宙的边界条件就是没有边界。并且在这种情况下,宇宙可以从无边界中浮现出来,并演化到一个德西特时空。也就是说,这为暴胀宇宙论提供了一个特定的初始条件。

 

让世界聆听宇宙

除了影响深远的研究工作,霍金能够获得如此声誉,和他在科普上做出的巨大贡献密不可分。是他将理论物理学家在近百年来做出的众多晦涩难懂的杰出工作,以生动形象的方式呈现给了大众,让这个星球上大多数人了解到我们目前对自己这个宇宙的认识,也吸引了一大批青年才俊进入这个领域。他因杰出的科学贡献,和与病魔顽强抗争的经历,成为了很多人的精神领袖,代他行走和说话的高科技轮椅也成为了他特有的标志。

 

由于身患残疾需要护理,再加上家庭和子女的负担,这笔开支仅凭大学教授的工资是不够的。所以霍金决定抽出大量科研时间来写一本科普书,以赚取额外津贴(这或许是霍金的一次自我解嘲)。1988年他出版了《时间简史》,这本书成为了史上最成功的的科普著作,被译为四十多种语言,累计销量2500万,一度登上过畅销书榜首,超过了同期的迈克尔·杰克逊的书。出版社编辑之前给他说“多一个公式就会少一半的读者”,于是整本书就只剩下了爱因斯坦最著名的质能方程E=mc^2。后来他还出版了《果壳中的宇宙》、《大设计》等科普著作。2014年基于他故事改编的电影《万物理论》上映,讲述了他不同寻常的经历,引起了社会的热烈反响。


电影《万物理论》海报

图片来源:wikiwand

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来自:quantum555  > 科技人物
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