物理學(xué)科普：霍金到底偉大在哪兒？

 

 霍金先生                                              

                           

   

    從16世紀(jì)起，伽利略、開(kāi)普勒……一批又一批的科學(xué)家，把他們觀察的目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了宇宙，嘗試解釋更多的天文現(xiàn)象。然而，這樣的物理，是有局限的。 

    直到牛頓橫空出世。

    他的偉大不但在于他試驗(yàn)和總結(jié)得出了“f=ma”這個(gè)公式，更關(guān)鍵在于他認(rèn)為這個(gè)公式適用于世界上的所有物體，小到一個(gè)蘋果、皮球，大到宇宙的太陽(yáng)和星系……牛頓還通過(guò)了大量實(shí)驗(yàn)，證明了任何兩物體之間都存在著吸引力，總結(jié)出了萬(wàn)有引力定律。

    人們第一次發(fā)現(xiàn)，世界上的很多東西，用牛頓的這套理論可以精確的計(jì)算出來(lái)了。而牛頓的這套理論，被稱為——經(jīng)典物理學(xué)。

                                   

                              黑洞

   

    科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在很多領(lǐng)域，牛頓的經(jīng)典物理學(xué)解釋不了他們發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象了！出現(xiàn)偏差的部分，主要來(lái)自極大和極小的兩端。

    為了解釋這兩端的現(xiàn)象，兩個(gè)截然不同的科學(xué)體系出現(xiàn)了：那就是解釋宏觀（也就是極大）體系的愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，以及解釋微觀（也就是極小）體系的普朗克的量子力學(xué)。

    1910年，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論橫空出世。愛(ài)因斯坦用另外一種體系解釋了我們的這個(gè)宇宙。

    就拿地球?yàn)槭裁磿?huì)繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)舉例。牛頓認(rèn)為，在巨大的物體附近，存在著一種“力場(chǎng)”。這種力場(chǎng)就像磁場(chǎng)一樣，對(duì)其中的其他物質(zhì)有吸引力。正如同太陽(yáng)吸引著地球，地球吸引著月球，甚至地球吸引著那個(gè)蘋果。

    而愛(ài)因斯坦的相對(duì)論認(rèn)為，引力本身就是時(shí)空的一部分，是時(shí)空的幾何屬性。當(dāng)物體的質(zhì)量大到一定程度，其附近的空間就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而改變周邊一切物體的運(yùn)動(dòng)模式。比如地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，衛(wèi)星繞著地球轉(zhuǎn)……

 

 

    據(jù)此，科學(xué)家推斷出近乎天方夜譚的觀點(diǎn)：如果有一個(gè)質(zhì)量極大的恒星，它自身產(chǎn)生的重力也無(wú)比巨大，最終恒星必定會(huì)因?yàn)椴豢白陨碇刎?fù)而坍縮成一個(gè)密度和曲率都無(wú)窮大、體積無(wú)窮小的點(diǎn)。在這個(gè)點(diǎn)的周邊，會(huì)創(chuàng)造出一片引力極強(qiáng)質(zhì)量極大、連光都無(wú)法逃出的特殊區(qū)域。在時(shí)空的維度上，就像一個(gè)無(wú)比深凹的洞�？茖W(xué)界給了一個(gè)簡(jiǎn)單的名詞：黑洞。

    而霍金的理論主要就解釋了兩大問(wèn)題：黑洞的中心究竟是什么？在黑洞的邊緣發(fā)生了什么？

    1970年，霍金與羅杰·彭羅斯合作，用嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)學(xué)推理證明：如果你能進(jìn)入黑洞中心，就會(huì)發(fā)現(xiàn)里面關(guān)于黑洞的所有質(zhì)量，都會(huì)匯聚到一個(gè)點(diǎn)上——奇點(diǎn)，一個(gè)體積無(wú)限小、彎曲無(wú)限大、密度無(wú)限大、引力無(wú)限大的一個(gè)點(diǎn)。

    而霍金和彭羅斯一起，從理論上，證明了黑洞中心奇點(diǎn)的存在。這也是他學(xué)術(shù)生涯中第一個(gè)舉足輕重的定理：奇點(diǎn)定理——黑洞的中心存在一個(gè)奇點(diǎn)。

                               

                            霍金輻射理論

   

 

    那黑洞的邊緣又會(huì)發(fā)生什么?

    霍金經(jīng)過(guò)思考和研究，他創(chuàng)立了一個(gè)理論：黑洞確實(shí)在放出黑體輻射，而且黑洞的質(zhì)量，是在不斷減少的。這一切，被稱為“霍金輻射理論”。

    為了解釋自己的這個(gè)理論，霍金在學(xué)術(shù)界破天荒地用了相對(duì)論之外的另一套物理體系來(lái)解釋自己的理論——量子力學(xué)！

    而霍金，把這個(gè)理論，用在了黑洞的邊緣上。按照量子理論，這正反粒子應(yīng)該是一出現(xiàn)，馬上就會(huì)互相碰撞湮滅掉而達(dá)到能量守恒的，然而在這種情況下，一個(gè)粒子被吸入黑洞，另一個(gè)粒子沒(méi)法跟它碰撞湮滅。一個(gè)虛粒子，變成了一個(gè)有正能量的實(shí)粒子。那這個(gè)能量是哪來(lái)的？

    霍金的解釋是，這個(gè)離開(kāi)黑洞的粒子的質(zhì)量，一定是從黑洞本身的質(zhì)量而來(lái)的。黑洞吞了一個(gè)負(fù)能量的粒子，減少了自己的質(zhì)量，而有另一個(gè)含有能量的粒子離開(kāi)了黑洞。這一切，在外面看來(lái)，就像黑洞在發(fā)射粒子一樣。這些粒子是從黑洞邊緣空虛的空間里變出來(lái)后逃逸出來(lái)的，但是逃逸過(guò)程中帶走了黑洞的能量。

    與此同時(shí)，墜入黑洞的粒子質(zhì)量為負(fù)，在它們的作用下，黑洞變得越來(lái)越小，直至消失。當(dāng)然了，這個(gè)過(guò)程非常非常漫長(zhǎng)。由于體積不斷變小，黑洞自己也有生命的終點(diǎn)。它最終會(huì)變成一個(gè)迷你黑洞，在黑洞生命最后階段的時(shí)刻，這個(gè)迷你黑洞會(huì)爆炸，其威力相當(dāng)于100萬(wàn)顆百萬(wàn)噸級(jí)的氫彈。在一場(chǎng)大爆炸中，黑洞的一切，灰飛煙滅，黑洞的奇點(diǎn)也會(huì)爆炸。

    我們現(xiàn)在所處的宇宙，曾經(jīng)就是一個(gè)奇點(diǎn)，即所謂的宇宙大爆炸奇點(diǎn)。隨著這個(gè)奇點(diǎn)爆炸，這才形成了星系、恒星、行星以及此刻拿著手機(jī)緬懷他的你和我。

    世間萬(wàn)物，都由此而來(lái)，這就是宇宙的起源。

    在宏觀和微觀的世界上，我們創(chuàng)立了兩種不同的體系來(lái)解釋不同的事物。多少年來(lái)，科學(xué)界一直想找出一個(gè)方法，能夠統(tǒng)一相對(duì)論和量子力學(xué)。然而這一直沒(méi)有誰(shuí)能完成，而霍金用相對(duì)論和量子力學(xué)來(lái)解釋黑洞邊緣，來(lái)解釋黑洞質(zhì)量減少的理論，卻是在當(dāng)時(shí)走出了這大一統(tǒng)的第一步。