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不平凡的人生,祝霍金教授75岁生日快乐

字号+作者:原创 来源:原创 2017-01-08 22:11 我要评论() 收藏成功收藏本文

我的目标很简单,就是把宇宙的本源明白——它为何如此,它为何存在。——霍金1月8日,一个不平凡的日子。375年前,一位科学'...

我的目标很简单,就是把宇宙的本源明白——它为何如此,它为何存在。

——霍金

1月8日,一个不平凡的日子。

375年前,一位科学巨星陨落,但他的思想却永远的流传下来,指引着我们继续探索这个世界。他,就是现代科学之父——伽利略。

不平凡的人生,祝霍金教授75岁生日快乐

△ 伽利略撰写的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。(图片来源:moro.imss.fi.it)

无论是巧合或者是命中注定,在伽利略去世300周年纪念日,即1942年1月8日,霍金出生于英国牛津。那是一个混乱和动荡的年代,他的出生似乎就预示着一段不平凡的人生。

不平凡的人生,祝霍金教授75岁生日快乐

△ 1月8日是霍金的75岁生日。(图片来源:Karwai Tang)

霍金在17岁的时候就进入了他父亲的母校——牛津大学就读。他父亲希望他学医,但是霍金却对数学满腔热血。不幸的是(但对我们来说是幸运的),当时大学并没有数学课程,因此他转而追求物理。

三年后他顺利拿到一等学位毕业进入了剑桥大学。而他所选择的研究研究方向是宇宙学。

霍金希望自己能够被当时赫赫有名的天文学家霍伊尔(Fred Hoyle)指导。霍伊尔最出名的贡献是恒星核合成理论,但他一直不接受宇宙大爆炸理论。但最后,霍金的指导老师被指派为夏玛(Dennis Sciama)——被认为是现代宇宙学之父。

这也开启了霍金对宇宙的探索之旅。非常不幸的是,在剑桥期间他的健康不断恶化。21岁的时候,医生诊断他患了“渐冻症”,最多只可以活两年。他的传奇人生才刚刚开始。

在我21岁时,我的期望值变成了零。自那以后,一切都变成了额外津贴。

——霍金

在患有恶疾的情况下,并没有能够阻止霍金思考宇宙最基本的问题。

1960年代,是爱因斯坦的广义相对论的激动人心的时代。引力红移(广义相对论的三大经典验证之一)刚被哈佛的Pound 和 Rebka 验证,进一步奠定了广义相对论的地位。

当时,研究爱因斯坦的引力理论的物理学家都注意到,爱因斯坦场方程的解允许奇点的出现,奇点就是时空中看起来无限弯曲的点。但是他们并不清楚奇点是不是真实存在的。1965年,霍金出席了罗杰·彭罗斯(也是夏玛的学生)的一个讲座,彭罗斯刚证明了时空奇点。这使霍金一下子就扎进了黑洞和奇点的研究之中。之后,他和彭罗斯合作,证明了爱因斯坦的理论预言了在遥远的过去宇宙有一个开端,这跟当时的观测符合。

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△ 黑洞中的奇点。(图片来源:Northern Arizona University)

虽然他和彭罗斯证明了宇宙有一个开端,但问题是那个时候还不知道宇宙中是否存在着黑洞(而不仅仅是数学上的预言)。在60年代末和70年代初,霍金、彭罗斯、卡特以及其他人都认为黑洞必须存在。直到1972年,天文学家发现了天鹅座X-1,这是第一个证明天体黑洞存在的证据。

这使霍金增强了信心并继续研究黑洞的奇怪性质。霍金和卡特等人证明了约翰·惠勒的一个推测,即黑洞无毛!他们证明了在黑洞形成后,我们对黑洞所能获取的信息只有:质量、电荷和角动量。其它的信息全部丧失了,黑洞也不存在任何凸起的形态,因此被称为黑洞无毛定理

大约在同一时候,卡特、霍金和巴丁证明了一个跟热力学第二定律类似的结果。霍金证明,如果我们只考虑广义相对论,那么黑洞的事件视界的面积永远不会变小,该定理也被称为霍金面积定理。这包括两个黑洞的面积为 A₁ 和 A₂ 合并成一个新的面积A*,新的面积 A* 要比原来面积的和 A₁ + A₂ 大。从LIGO探测到合并黑洞产生的引力波便可以推导该结果。

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△ 热力学定律和黑洞热力学定律间的比较。(图片来源:Fay)

只要把这个结果和无毛定律结合就发现热力学和黑洞之间的关联。因此霍金和巴丁、卡特合作提出了黑洞热力学定律,这些定律的形式看起来很像热力学定律。但这也带来了一个更加深入的问题。如果黑洞有温度,就必须辐射带走能量。但这背后机制是什么?这也是霍金最深刻的洞见之一, 他考虑了弯曲空间中的量子力学,他发现了一个可以使粒子逃离黑洞的机制。这种现象被称为霍金辐射

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△ 霍金辐射。(图片来源:E.Siegel)

事情并没有结束,反而变得越发的有趣。这些计算并不是基于一个完整正确的理论(一个完整正确的理论被称为”量子引力“)。它们是利用了一些广义相对论和量子力学之间的融合。现在的问题是,这两个理论究竟哪一个更加的可靠。而这也引发了著名的“黑洞信息悖论” (参见《落入黑洞的信息去哪里了?》中的详细讨论)。

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△ 前几天,霍金出现在剑桥电影院观看《星球大战外传:侠盗一号》。(图片来源:Geoff Robinson)

现在他依旧活跃在宇宙学、黑洞、量子引力等领域上。除了在学术上的思考,他也专注于撰写科普著作,包括《时间简史》和《果壳中的世界》等。他还活跃于屏幕之上,比如在《星际迷航》和《生活大爆炸》中都会看到他的身影。他和尤里·米尔纳启动了“突破摄星”计划。他频繁的警告寻找外星人和人工智能的潜在危险。

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△ 黑洞蛋糕。(图片来源:霍金微博)

尽管已经75岁的他却仍思考着宇宙最基本的问题,关注着人类未来的发展。他的精神一直鼓舞着我在人生的道路上前行。今天是他的75岁生日,衷心祝愿老爷子身体健康。

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决定重温了一遍电影《万物理论》。

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