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史蒂芬霍金先生离我们而去了。他,或许称得上是当代社会最著名的物理学家。

每每提起他的名字,不论谁都会脱口而出评价一句“伟大”、“天才”、“了不起”…

但对于大部分人来说,“霍金到底伟大在哪儿?他为何而出名?”却是一个很难回答的问题。

是因为他年纪轻轻就身患渐冻症却还依然坚守在科研前线的不屈精神?

他那副来去自如还能发出机器人嗓音的神奇轮椅?

还是他曾在《辛普森一家》、《星际迷航》、《生活大爆炸》等著名影视作品中犀利的客串?

还是那本《时间简史》??

这一切,这可能都是不少常人对霍金的了解,然而,这一切,似乎都太浅显片面了……

那么,霍金的学术成就呢?

是他发现了黑洞么?还是他创立了大爆炸理论?又或是他告诉了我们时间的真正意义?

不,他没有发现黑洞,大爆炸理论最初也不是他创立的,他也没告诉我们时间真正的定义…

有人认为他在现代物理学的研究进展中发挥了举足轻重无可替代的作用,世界欠他一个诺贝尔奖。也有人觉得,他其实名不副实…..

然而他仍然是一个伟大的物理学家,我想借这篇文章的机会,给大家慢慢解释一下,

霍金,缘何伟大。

下面的文章里,可能有些部分有些学术,可能有部分难懂,然而花一点时间真正读一遍,成为一个真正了解霍金为什么伟大的人,

这,不是更好么?

(我不是学物理的,我只是尽我所知的去解释这些知识,如果其中有错的地方,我尽量改正)

这篇文章的一切,都要从我们该用什么理论解释这个世界的一切说起…..

我们要怎么解释这个世界上发生的一切?

一切的发生都是为什么?

古代的哲学家和物理学家们,其实一直在尝试解释这个问题。

在这样的环境里,我们对于世界的问题分成了两类:1. 能解释的;2. 不能解释的

我们通过自己的想法去解释生活中发生的各种现象。

而不能解释的那些,通常会归于哲学或者神秘主义。

在早期的年代,物理学在人类的知识体系中一片混沌。甚至都没能独立成为“物理”这门学说。

在上千年前的那个年代里,了解这个世界,解释这个世界,我们依靠的,是实验。

我们也在不同的实验中,不断修正着我们对世界的理解和认知。

公元前300多年,亚里士多德通过观察羽毛等轻的物体和石头等重的物体的下落的不同速度,得出了 “物体下落速度和重量成正比例” 的理论结果…

这样的理论统治了西方世界1900多年,在教会势力的支持下,没有人敢对此提出疑问。

直到16世纪,出现了一个敢于反对的人。他,叫伽利略。在那个斜塔上,他做出了一重,一轻两个铁球同时落地的实验。用实验告诉了我们,亚里士多德这统治了世界1900多年的理论是错误的….

这便是我们早期的物理学家了解这个世界的一种实验方法:通过观察现象和自己实验现象来解释世界的实验物理学。

伽利略、开普勒、惠更斯….

在这个年代里,有一批又一批的科学家,把他们观察的目标对准了宇宙。 尝试通过对宇宙的观察,尝试解释天体的运行,解释更多的天文现象。各自都有了各自的一套理论进展。然而,这样的物理,是有局限的。

我们观察到的范围很有限,我们能实验的范围也很有限。

通过观察和实验,我们解决了很多“是或者不是”,“有或者无”之类定性的问题。 却解决不了很多“有多少”之类定量的问题….

直到那一天,一个人横空出世,他叫牛顿。

F = m a 这可能是我们初中物理学过的一个最简单的公式。 这可能确是那个年代最伟大的一个突破….

他的伟大不但在于他试验和总结得出了这个公式,更关键在于他认为f=ma适用于世界上的所有物体。

小到一个苹果,皮球。 大到宇宙的太阳,和星系…

这一切事物的运行,都可以用一个最简单的公式F=ma来解释…

在F=ma之上,牛顿用数学和各种公式设立了一整套物理体系,他把力,速度,加速度,能量,动量等等各种概念都严格的定义了出来,用数学的方式找到了它们之间的关系…

牛顿还通过了大量实验,证明了任何两物体之间都存在着吸引力,总结出了万有引力定律。

人们第一次发现,世界上的很多东西,用牛顿的这套理论可以精确的计算出来了。 我们可以不用实验就算出一个东西大概能有多快。 它未来的状态会怎么改变。 甚至是天体的轨道都可以精确计算出来。

牛顿的这套体系,不但解决了“有或者无”的问题,更是进一步解决了“有多少”的问题。

而牛顿的这套理论,被称为——经典物理学。

一旦有了这些规律,我们才能在这个的基础上,进一步去探索物理的世界。 这引发了17世纪在天文学和力学领域中的一整个科学革命。经过18世纪近1个世纪的准备和研究。 物理学又在19世纪得到了重要的发展。

终于,在19世纪末。 我们建立起了经典力学、热力学、统计物理学、经典电磁场理论…. 我们对这个世界的理解,在当时达到了它的顶峰。

然而,随着我们对这个世界了解的不断深入…

科学家们发现了问题….

在很多领域,牛顿的经典物理学,在一些地方,不对了!解释不了他们发现的现象了!

出现偏差的部分,主要来自极大和极小的两端,….

当研究物体的性质极大,比如速度极其快,或者能量极其大等等的时候,又或者是当研究物体的尺度极其小,小到原子级别的时候…

牛顿的经典物理体系都不再适用…

一个最简单的例子,在牛顿的体系里,如果加速度保持不变,那物体的速度应该会达到无穷大… 可是现实世界里,为什么我们没有能找到任何一个物体的速度能突破光速? 为什么光速成为了万物的速度极限?

为了解释这两端的现象,两个截然不同的科学体系出现了….

那就是解释宏观(也就是极大)体系的爱因斯坦的相对论…

以及解释微观(也就是极小)体系的普朗克的量子力学。

我们先说说相对论吧。

1910年,爱因斯坦的相对论横空出世。爱因斯坦用另外一种体系解释了我们的这个宇宙。

就拿地球为什么会绕着太阳运转举例——

牛顿认为,在巨大的物体附近,存在着一种“力场”。这种力场就像磁场一样,对其中的其他物质有吸引力。 正如同太阳吸引着地球,地球吸引着月球,甚至地球吸引着那个苹果….

牛顿并不知道巨大物体之间的这个力究竟是什么,但是通过这理论确实计算出了各种天体的运行..

而爱因斯坦的相对论认为,引力不像牛顿所说的“是物质在空间中产生的力场”那么简单,

引力本身就是时空的一部分,是时空的几何属性。

当物体的质量大到一定程度,其附近的空间就会产生扭曲,从而改变周边一切物体的运动模式。比如地球绕着太阳转,卫星绕着地球转……

太阳的质量导致了周边时空的凹陷,而地球就在这样扭曲的时空之中运转..

在相对论的解释下,物体之间的互相吸引,这好像在橡胶垫子上隔开些距离放两个球,当球附近的橡胶开始凹陷,球就开始沿着凹陷转动、互相接近….

而行星围绕恒星的运行, 就好像下面这样,中间的大质量就是太阳,而周边环绕运行的,就是地球和其他行星….

在这样的相对论体系下,我们终于讲到了这个关乎于霍金的一生学术理论的概念:黑洞。

根据爱因斯坦的广义相对论的理论,科学家推断出了一个在当时看来近乎天方夜谭的观点:

如果有一个质量极大的恒星,它自身产生的重力也无比巨大,最终恒星必定会因为不堪自身重负而坍缩成一个密度和曲率都无穷大、体积无穷小的点…

在这个点的周边,会创造出一片引力极强质量极大、连光都无法逃出的特殊区域。

在时空的维度上,就像一个无比深凹的洞….

科学界给了一个简单的名词:黑洞。

黑洞这个概念在如今的我们看来,似乎已经算是寻常,

但在当时,许多物理学家都对其存在抱有深深的怀疑,他们觉得中间聚成一个点的假设太过大胆直接,恒星在坍缩过程中肯定会受到其他不可知的外界干扰,无法在最后真正形成奇点。

因此,这个假设也就慢慢被束之高阁,无人问津了….

直到1959年,当时其他的物理学家们开始想要深入研究黑洞的相关理论….

也正是那一年,霍金进入牛津大学,他那时年仅17岁,比大多数其它学生都年轻,却有着超群智力和惊人的学习能力。

他的物理导师后来称赞,霍金是他所教导的学生中最具有聪明才智的一位,“他只需要知道某个问题有答案,不需要查看其他人怎样解答,他都可以给出答案”。

不过,虽然有着过人的天资,那时的霍金却并没能沉下心来研究学术,最初一年半,他总是觉得无聊寂寞,因为学校功课“简单到令人发笑”,甚至连书都读得很少。

拿到本科学位之后,霍金进一步开始了博士的学习…1962年,霍金如愿进入剑桥大学。 他的导师,是天文学家丹尼斯夏玛。

而他最感兴趣的课题, 就是广义相对论和黑洞。

在此期间他被诊断出了渐冻症,医生说他余下的寿命可能不足两年。身体的虚弱加之情绪的压力,霍金开始对学业产生了怀疑,认为命不久矣,不再有继续攻读博士学位的必要。好在,医生作出的“活不过两年”的预测并没有实现,在导师夏玛的鼓励下,他重新一点点拾起了学业,并对广义相对论和黑洞产生了无比浓厚的兴趣,提出了一些初见雏形的独到见解。

巧的是,也正是在霍金经历人生大起大落的这段时间,被尘封已久的黑洞中心是个奇点概念,一次又一次被各国物理学家所提起。

霍金从前人这些理论中得到启发,进行了大量严谨复杂的数学推演计算…

在他未来的学术生涯里,他的理论主要解释了两大问题:
1 黑洞的中心究竟是什么?
2 在黑洞的边缘发生了什么?
黑洞的中心究竟是什么?

黑洞,是宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体和星体,它的质量如此之大,产生的引力场如此之强,就连传播速度极快的光也没办法逃过黑洞的捕捉。

霍金与罗杰·彭罗斯合作,用严谨数学推理证明——

如果你能进入黑洞中心,就会发现里面关于黑洞的所有质量,都会汇聚到一个点上 — 奇点,一个体积无限小、弯曲无限大、密度无限大、引力无限大的一个点。

黑洞所有的质量都被无限压缩到这里,所以奇点的体积无限小,但它的密度无限大,引力也无限大。

之前,人们对奇点的形成有所争论,认为在形成奇点的过程中会发生其他的事情。

而霍金和彭罗斯一起,从理论上,证明了黑洞中心奇点的存在…

这也是他学术生涯中第一个举足轻重的定理:奇点定理 – 黑洞的中心存在一个奇点。

在这个“黑洞中有个奇点” 这个理论合理的基础上,我们进一步认为,如果我们反向来看,物质被吸入黑洞达到奇点的过程,是不是就是当年宇宙大爆炸的反过程?

如果我们把整个宇宙膨胀的过程进行反推,那么回溯到最后,一定会又回到一个点,也就是奇点上。

如果黑洞中是一个奇点的这个理论合理,那整个宇宙最初也可以是一个奇点。 按照彭罗斯和霍金的理论,大爆炸是确实可以是宇宙的开端。

这从一个理论的侧面,进一步论证了宇宙大爆炸的理论….

黑洞的边缘又发生什么?这一切,还要从霍金研究黑洞的早期开始说起….

最初的时候,霍金也跟主流科学界一样,认为黑洞是一个只吞不吐,永远吃进周围的物质,质量不断增加的物体….. 毕竟连光都从黑洞逃不出来,还有什么物质能逃出来?

然而,这样黑洞只吞不吐的观点,遇到过一个之前没有人能解释的难题….

学过高中物理的知道,熵是一个衡量物体混乱程度的物理性质。 而熵在宇宙里是永远在增加不会减少的。

那么,如果我们把一个有很多熵的东西扔进黑洞里,那么,这些熵会被消灭掉么?

如果熵被消灭了,这就跟最基础的理论相悖,因为熵是只增不减的。

那么,也就是说,黑洞里这些熵没有被消灭掉,全都屯在了黑洞本体里。 但是根据理论,任何有熵的东西就会放出黑体辐射..

黑洞里有那么多熵,那也该放出黑体辐射才对啊!这不又跟黑洞只吞不吐的理论相冲突了么?

虽然霍金最早的时候也相信黑洞只吞不吐,然而经过思考和研究,他创立了一个理论:

黑洞确实在放出黑体辐射,而且黑洞的质量,是在不断减少的。这一切,被称为,霍金辐射理论。

为了解释自己的这个理论,霍金在学术界破天荒的,用了相对论之外的另一套物理体系来解释自己的理论——量子力学!

在科学界,解释宏观(比如宇宙或者黑洞)体系,用爱因斯坦的相对论…

解释微观(也就是原子粒子)体系,用的是普朗克的量子力学。

这两个理论体系,分别都可以把各自的领域解释的很好。

相对论可以解释宇宙间比如黑洞的碰撞会发生什么事情。 而量子力学解释了微观下比如两个原子,两个粒子碰撞会发生什么事情…

但是!这两个体系,却是不互通切还部分相悖的!比如相对论认为空间是一个连续的整体,而量子力学认为空间是分散的…

这两大学派,就好像物理学界的两栋高楼大厦,不同的物理大牛们在各自的领域不停的往相对论和量子力学领域添砖加瓦。分别引领者人类在宏观宇宙领域和围观粒子领域的各种突破。

这两栋理论的大楼越盖越高,可却一直没有人能够把两个理论统一起来,用一个完整的体系,解释我们从宏观到微观的所有世界….

创立了相对论的爱因斯坦,在人生的后半期研究里,也想要创立一个涵盖相对论和量子力学合二为一的同一场理论…

然而他尽毕生之所想,都没能完成…..

而霍金,在解释黑洞究竟会不会发出黑体辐射这个问题上,却创新的利用了量子力学的理论,第一次把宏观的相对论和微观的量子力学一起用在了解释黑洞上!

我们回到之前的问题,黑洞的质量是在不停减少还是增加呢? 黑洞会向外放出黑体辐射么?

对此,霍金是这么解释的,这一切,发生在黑洞的边缘….

量子力学告诉我们,时空是分散的。

说到真空,大家都以为,真空就是空空如也,里面什么都没有。但在量子论领域,情况却并非如此。在真空中,随时会凭空出现一对虚粒子对.. 一个正粒子,和一个反粒子,一个携带正能量,一个携带负能量..

这些虚粒子会凭空出现,存在极小的一段时间,然后又相互碰撞结合而湮灭….

因为他们存在的时间及其短而无法被检测到,所以将他们称为虚粒子…

这一切,是量子力学的基础…

而霍金,把这个理论,用在了黑洞的边缘上…

在他之前的理论里,根据相对论,论证了黑洞中心是一个奇点。 而黑洞的边缘,必定存在一个边界,只要没过这个边界都还不会被吸进去,过了这个边界就会被吸入黑洞。

我们又知道,根据量子力学的理论,黑洞附近的真空中,也存在这这样不停产生又不停湮灭掉的正反虚粒子….

如果,一个不凑巧,刚好有一对虚粒子,刚好产生在黑洞的这个边缘呢??

由于黑洞的引力很强,配对诞生的这对正反粒子不再能够互相碰撞,而是被黑洞引力被扯开,有可能有一个跌入黑洞,而另一个没有。

因为两个虚粒子一个有正质量,而一个有负质量,因此被吸入的,是负质量的那个。 而正能量的那个粒子,有可能从黑洞边缘逃离;按照量子理论,这正反粒子应该是一出现,马上就会互相碰撞湮灭掉而达到能量守恒的…

然而在这种情况下,一个粒子被吸入黑洞,另一个粒子没法跟它碰撞湮灭。岂不是莫名产生了一个粒子?

一个虚粒子,变成了一个有正能量的实粒子。

那么问题来了…

这俩虚粒子本来是应该凭空出现,凭空消失,达到能量守恒的。

现在一个被黑洞吞了,另一个成了有实际能量没有湮灭掉的实粒子了,那这个能量是哪来的?

能量是不能凭空出现的啊!

霍金的解释是,这个离开黑洞的粒子的质量,一定是从黑洞本身的质量而来的….

黑洞吞了一个负能量的粒子,减少了自己的质量,而有另一个含有能量的粒子离开了黑洞… (因为正好在边缘,所以没有被黑洞吸进去)

这一切,在外面看来,就像黑洞在biu~biu~biu地发射粒子一样。

(这些粒子不是从黑洞里跑出来的,而是从黑洞边缘空虚的空间里,变出来后逃逸出来的,但是逃逸过程中带走了黑洞的能量)

而这种猜想中发射能量的辐射,被称为“霍金辐射”。

与此同时,坠入黑洞的粒子质量为负,在它们的作用下,黑洞变得越来越小,直至消失。当然了,这个过程非常非常漫长。

由于体积不断变小,黑洞自己也有生命的终点。它最终会变成一个迷你黑洞,在黑洞生命最后阶段的时刻,这个迷你黑洞会爆炸,其威力相当于100万颗百万吨级的氢弹。

在一场大爆炸中….黑洞的一切,灰飞烟灭…..

黑洞的奇点也会爆炸….

我们现在所处的宇宙,曾经就是一个奇点,即所谓的宇宙大爆炸奇点。

随后,这个奇点爆炸,这才形成了星系、恒星、行星,以及此刻拿着手机缅怀他的你和我。世间万物,都由此而来,这就是宇宙的起源。

也许你认为,霍金的这个理论只不过告诉了我们黑洞边缘可能发生了什么….

跟牛顿的整个经典物理体系,爱因斯坦的整个相对论体系相比似乎算不上什么…

然而,这一切的关键在于,这是科学界,第一次能用广义相对论和量子力学相结合解释一个状况。

两个理论物理界曾经不相容的理论体系,第一次走到了一起….

在1970年代,这一切,有着无比的重要性。

在宏观和微观的世界上,我们创立了两种不同的体系来解释不同的事物

多少年来,科学界一直想找出一个方法,能够统一相对论和量子力学。

多少年来,多少人也想尝试着另一套体系,能同时解释相对论和量子力学..

如果能用一种理论同时解释宏观和围观,这不就是一种能够解释万物的理论了么~~

万物理论,The Theory of Everything,一个理论一统宏观与微观。这一直是理论物理学界的圣杯…

然而这一直没有谁能完成。

而霍金用相对论和量子力学来解释黑洞边缘,来解释黑洞质量减少的理论…

却是在当时走出了这大一统的第一步….

这下,你知道为什么那部霍金的片子,会叫万物理论了么 ?

的确,对于这些复杂深奥的理论,是他的成就和伟大的一个重要方面,然而霍金伟大的另一个方面,却也同时体现在另一个方向上。

尽管毕生研究的都是些高深复杂又难懂的学问,他没有把自己高架在学术的塔尖之上,
他一直笔耕不辍,把自己脑中所思所想,全部倾注到油墨和纸张上,用更简单直白的形式,让平凡世人得以凭借他这扇窗,一窥宇宙的奥妙。

1988年,他编写了科普图书《时间简史》,
这本书很快就成为十分流行的经典著作,即便是30年后的今天,也依旧畅销,是无数人的科学启蒙。

1993年,他将自己1976年到1992年期间撰写的14篇文章集合成册,出版了科普著作《黑洞与婴儿宇宙》。

2001年,由于《时间简史》广受好评,霍金又撰写了它的姊妹篇《果壳里的宇宙》,同样的通俗易懂,也同样广受追捧。

2007年,霍金与女儿露西,还有博士学生克里斯多夫·盖德发共同完成儿童读物《乔治通往宇宙的秘密钥匙》,这本书讲述了小孩乔治如何找到并利用宇宙闸门游遍了整个太阳系;2009年,霍金与女儿撰写了儿童读物《乔治的宇宙寻宝》,讲述小孩乔治在迷航宇宙寻找生命踪迹。

2011年,霍金与女儿第三次合作,完成儿童读物《乔治与大爆炸》,用浅显直白的语言,讲述宇宙在大爆炸时的状况。

我们可能一辈子都不会知道霍金究竟是怎么证明了奇点,而奇点对宇宙又有什么意义…

我们可能一辈子也不会关心黑洞究竟是在增加质量还是减少质量…

但是我们却对大爆炸,黑洞,虫洞等科学会感兴趣…

这一切,可能得益于霍金的时间简史…

他能用简单的语言讲述这些高深的物理理论,可能比推广黑洞质量是怎么减少的更有意义…

让更多人知道了宇宙是怎么开始的,是怎么结束的..

霍金的伟大,在于他学术的开拓,霍金的伟大,又在于他对传播科学的推进….

这或许才是霍金受人尊敬钦佩的真正原因吧…

这才是我真正想告诉你们的,霍金伟大的原因….

英国那些事儿

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