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名酒加盟 除了《时间简史》,关于霍金你还答该晓畅这些!

时间:2019-06-19 18:01作者:admin打印字号:

  来源:中科院物理所微信公多号

  3月14日,英国著名物理学家史蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)在家中去逝,享年76岁。

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  挑到霍金,你们去去会想首他标志性的轮椅,以及那本畅销全球的《时间简史》。然而说首他的本职做事——物理学家,除了专科人士,恐怕很多人都不明了他在科学上原形做出了怎样的贡献。

  记得霍金曾经在他的书中说到过,由于他身体的弱点,他异国太多的精力去学习某一实际学科的详细知识,因此他尽量避免从事的详细、复杂的实际题目的钻研,而是一向在做宇宙学和黑洞、量子引力等方面的抽象的理论钻研。

  那么霍金原形有哪些重要的科研收获?对物理学的发展首到了怎样的作用?且听幼编娓娓道来。

  奇性定理

  1922年,弗里德曼(Friedmann)挑出的宇宙学模型认为宇宙首源于一个奇点,称为大爆炸奇点(big bang singularity),这一点宇宙的密度将是无穷大,也被称为宇宙的原初奇怪性。

  1931年,天文学家钱德拉塞卡(Chandrasekhar)在推出白低星的质量极限之后认识到大质量恒星的晚年命运有待进一步推想,但另一位天文学家爱益丁顿(Eddington)却断然否定黑洞(包括时空奇点)存在。

  1933年,奥本海默(Oppenheimer)等人把钱德拉塞卡的做事推广到中子星,指出质量充满大的球对称的恒星演化到晚期,由于中子简并压无法招架引力缩短,必然会无穷缩短以致于坍缩到密度无穷大的一个时空奇点,稍后便给出了内心上是第一个描写黑洞形成的正确解。

  怅然当时,包括爱益因斯坦(Einstein)在内的很多物理学家们都不自夸这些时空奇点会真实地存在于吾们实在的宇宙中。他们认为:黑洞的奇点是恒星模型理想的球对称坍缩所致,而宇宙原初的奇点是宇宙模型的均匀和各向同性所致,但实在的恒星和宇宙都不不妨有像模型中那样正确的对称性,因此时空奇点在实在的世界里也不会存在。

  然而霍金和彭罗斯(Penrose)在1965—1970年经由过程抽象的推理表明,以别具匠心的钻研外明,即使不必要对称性的倘若,大质量恒星晚期坍缩形成的黑洞和宇宙原初的奇怪性在必定条件下都是不可避免的(详细内容可见Hawking&Penrose(1970) 的论文[5])。[1]

  一般来讲,奇性定理就是说,只要知足引力稀奇强、能量条件、因果条件等条件,黑洞是不妨存在于吾们的实活着界的,宇宙也不妨诞生于一个奇点,不再只是纯理想的模型。

  近年来大量的天文不悦目测也发现了很多的黑洞,尤其是引力波的成功探测更是直接探测到很多双黑洞的信号(如GW150914),都无疑声援了黑洞的存在;同时也有很多天文的不悦目测证据(比如宇宙微波背景辐射、宇宙元素丰度的预言等)声援了大爆炸宇宙模型的预言。大爆炸宇宙模型此刻依旧吾们宇宙学的标准模型。

  倘若异国奇性定理,这些模型永久只能是理想模型,无法与实际接轨。

  黑洞炎力学

  1972年霍金与Bardeen及Carter配相符写了一篇关于黑洞力学(black hole mechanics)的论文,他们指出一个黑洞的力学性质不妨用两个物理量来描述:黑洞视界的面积和视界外面的引力(surface gravity),这两个量别离相通于炎力学中的熵和温度,因此也不妨定义黑洞的熵和温度。基于这栽相通性,他们给出了响答于炎力学四大定律的黑洞力学的四大定律[1],其中包括霍金在1971年发外的黑洞边界面积不减定理(也被称为霍金定理,也是黑洞力学的第二定律),其中黑洞的边界就是黑洞的事件视界(event horizon)(简称视界)。

  由于黑洞的引力之强,它会一向从外界摄取物质到它的视界面内,而视界面内里的物质却无法逃行(霍金辐射破例,后续会介绍),因此黑洞就像一条只进不出的“贪吃蛇”,随着时间的演化,它的质量会越来越大,响答的视界面的面积也会越来越大而丝毫不减。

  举个例子,比如对于最浅易的球对称的史瓦西(Schwarzschild)黑洞,它的视界面就是一个球面,面积正比于史瓦西半径的平方,也就正比于黑洞质量的平方。因此黑洞的质量只添不减,它的视界面积也是只添不减。这必定理与炎力学的第二定律——熵添原理是专门相通的!再举个例子,比如两个幼的黑洞不妨相符并成一个大的黑洞,而大的黑洞的视界面积会比之前的两个幼黑洞的视界面积之和还大,逆之,一个大的黑洞不会自行地变成两个幼的黑洞。

  必要表明的是,这是经典的黑洞炎力学,只用到广义相对论,一时不必要用到量子理论。

  引力波探测也同样探测到很多例如许的双黑洞并相符事件,它们是相符理论计算预期的。

  霍金辐射

  多所周知,广义相对论以曲曲的时空代替了引力的存在。在广义相对论问世之后,人们发展出以曲曲时空为背景的“曲曲时空量子场论”。

  1973年霍金在曲曲时空量子场论的钻研中发现正本“黑洞不黑”!正本经典的理论上“爱财若命”的黑洞在黑洞量子力学中也不妨经由过程必定的机制发射黑体辐射,这就是霍金辐射!

  他指出,黑洞视界附近的引力场雷联相符个势垒,按照量子隧穿效答,黑洞内部的粒子是有必定的概率穿出这个势垒,形成粒子的发射。当视界附近的引力场充满强的时候,量子场论中的真空极化效答不妨从真空中由能量转化为物质,产生一对正逆粒子。

  霍金计算外明,这一对正逆粒子最后的命运很不妨是逆粒子落入黑洞而正粒子跑出来,真空涨落总的效果是黑洞一向向外发射正粒子,这些粒子能量来自于黑洞的质量减幼。自然质量的减幼也会导致黑洞视界面积的减幼,这就违背黑洞边界的面积不减定理,但从集体来望,这些辐射出去的粒子也携带有熵,将赔偿黑洞熵的减幼,名酒加盟异国忤逆熵添原理。[2]

  其中霍金辐射的等效黑体温度正好是之前在黑洞炎力学中定义的黑洞的温度,依旧以最浅易的史瓦西黑洞为例,它的温度逆比于它的质量。因此质量越幼的黑洞,温度越高,辐射也越强。因此幼质量的黑洞,正本质量就幼,霍金辐射又强,它们很快就会挥发失踪了。一个10^15克(相等于一座山的质量)的黑洞被挥发失踪所需的时间与宇宙的年龄相通。

  霍金辐射至今还尚未被清晰地不悦目测到。笔者认为,由于常见的大于3倍太阳质量(一个太阳质量约为2×10^33克)的黑洞质量很大,霍金辐射很弱(它的光度逆比于质量的平方),与经典的黑洞炎力学相差不大,因此难以被探测到,而具有微弱质量的黑洞固然辐射强,却又很容易被挥发失踪,存在的时间短,这不妨是霍金辐射难以被不悦目测到的因为吧。

  原初黑洞

  由于做事的必要,笔者还曾读过霍金关于原初黑洞的论文,对此比较熟识,也感觉霍金的思想对吾们也是专门有启发性的。

  霍金在1971年以及1974年与他的弟子Carr的文章[4]中指出:当今星系的存在(并且就连星系都具有成团的组织)黑示着宇宙的早期也不会是绝对的均匀的,宇宙大尺度上是均匀和各向同性的,由于宇宙早期原初的量子涨落产生了极幼的不均匀性(这一不均匀性已经得到了宇宙微波背景辐射的检验),同时由于引力的吸引,密度大的地方会荟萃更多的物质,而密度稀奇的地方会变得更稀奇,并且这一不均匀性会随着宇宙的膨大而一向被放大,有些区域不妨变得充满致密得以至于不再是坍缩形成星系、星系团等等如许发光的恒星体系,而是直接经由过程引力的吸引而坍缩形成黑洞。这些黑洞不必要经由过程大质量恒星演化到晚期而形成,也被称为原初黑洞。由于霍金挥发(或霍金辐射),霍金预言只有质量在10^15克以上的原初黑洞才能从宇宙早期保留到今天。

  尽管吾们还异国清晰地证实哪个是原初黑洞,但吾们并不克倾轧它存在的不妨性。它不妨是吾们探测到的双黑洞类的引力波源的一栽首源,也还不妨是吾们至今“不知庐山真面目”的奥妙的“黑物质”的构成局部之一。

  此外,霍金还作出了很多理论做事,比如给出对撞的黑洞的引力辐射的能量上限(1971)、挑出无边界的宇宙模型(1983)、商议黑洞里的新闻丢失(2005)等等,限于篇幅,就纷歧一赘述了。

  科学尤其是基础科学的钻研从来不是一挥而就的,并不要急于探求功利、实用的或者所谓是“正确”的东西,真实的学科发展规律就答该是层层递进的,每幼我在古人的基础上再去前迈一步,哪怕这一步不妨是舛讹的,但倘若连舛讹的一步都异国迈出,后人也很难晓畅那里是错的。

  受限于人类此刻认知程度安技术的限制性,吾们不消太早纠结理论是否必定是对的。自夸异日,随着人类认知的拓展和技术的挺进,总有镇日原形会水落石出的。正如引力波的探测,在未被真实探测到之前,很多人都不自夸引力波真的存在,或者即使存在也不不妨真的被探测到,但后来他们实在做到了,蜚语也就不攻自破了。

  倘若异国牛顿力学作铺垫,吾们也同样难以进入相对论的时代。牛顿力学的限制性并不克否认牛顿的远大。而霍金的远大之处,在于他以超人的毅力和笑不悦目的精神,首终竭力做事在物理、天文的理论最前沿,一向地把新的思想、新的思索注入到基础科学中,给基础学科带来新的活力。这也许就是在知识财富之外,霍金留给吾们最珍贵的精神财富。

  附录:什么是黑洞?

  黑洞,一般地来说就是中央是密度无穷大的时空奇点、引力相等兴旺的天体,引力兴旺到以至于只要落入它的视界面内的物体就连光都逃不出它的引力奴役。吾们晓畅,光速是总共运行物体的极限速度,连光都逃不出的话,其他物体更不不妨逃离黑洞。由于光逃不出黑洞的俘获,因而经典的黑洞理论认为黑洞是异国电磁辐射的,自然霍金辐射是涉及到量子效答的。

  史瓦西黑洞是最浅易的球对称的黑洞(不带电、不旋转的),它的事件视界半径(史瓦西半径)是r=2GM/c2,M是黑洞的质量,G是万有引力常数,c是光速,它的视界面就是一个以黑洞的奇点为中央,史瓦西半径为半径的球面。

  参考文献:

  [1] 梁灿彬,周彬。 微分几何入门与广义相对论(上、中、下册)[M]。北京:科学出版社。2009

  [2] 向守平。天体物理概论[M]。相符胖:中国科学技术大学出版社。2008

  [3] Hawking S W。 GRAVITATIONALLY COLLAPSED OBJECTS OF VERY LOW MASS。[J]。 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1971, 152(1): 75-78。

  [4] Carr B J, Hawking S W。 Black Holes in the Early Universe[J]。 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1974, 168(2): 399-415。

  [5] Hawking S W, Penrose R。 The singularities of gravitational collapse and cosmology[J]。 Proceedings of The Royal Society of London, 1970, 314(1519): 529-548。

  [6] Cosmic microwave background - Wikipedia

  https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background

  [7] Stephen Hawking - Wikipedia

  https://en.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking

  [8] Big Bang - Wikipedia

  https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang

  [9] Hawking radiation - Wikipedia

  https://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation

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  来源:cnBeta

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  来源 环球旅讯

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