巨星陨落,霍金一路走好,他生前有哪些伟大理论?

2018-03-14 13:29:43 来源: 网易科学人
0
分享到:
T + -
史蒂芬·威廉·霍金生于1942年1月8日,英国物理学家与宇宙学家,生前任职剑桥大学理论宇宙学中心研究主任。他是一位传奇的物理天才,也是与病魔抗争的英雄。

整理|网易科学人栏目组 (微信公号ID:WYKXR163)

2018年3月14日,霍金的家人发布声明:霍金去世,享年76岁。霍金的三个孩子露西、罗伯特和蒂姆在声明中表示,“挚爱的父亲今日过世。我们感到深深地悲痛。他是一名伟大的科学家,也是一个杰出的人,他的工作和科研成果在未来许多年都将继续延续。他的勇气、执着、才智和幽默激励着全世界人民。”

巨星陨落,霍金一路走好,他生前有哪些伟大理论?

史蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)生于1942年1月8日,英国物理学家与宇宙学家,生前任职剑桥大学理论宇宙学中心研究主任。他是一位传奇的物理天才,也是与病魔抗争的英雄。

霍金还在牛津大学读书时,那是他在牛津念书的最后一年,他发现自己的动作越来越笨拙,还会莫名其妙地摔跤,有一次还造成了短暂的记忆力轻微丧失。后来,他讲话开始含糊不清,父母因此带他去看了专科医生。

21岁时,他就被医生诊断为患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症,仅剩两年可活。奇妙的是,两年过去了,病情的恶化速度随着时间慢了下来,再次恶化已是五六年后,他再不能独立行走,几乎每一步都离不开拐杖,慢慢地他丧失了书写能力,可是霍金不愿向命运低头,凭借着自己聪慧的大脑,发展出了一种替代的视觉性方法;35岁后几乎没有人能听懂他的话,后来,电脑专家华特·沃特斯送给他一个称为“平等者”的程式,可以让他在屏幕上选择单字、单词或字母。平等者的字汇大约有2500–3000个单字,并内建了一个语音合成器。平等者本来是执行于台式电脑,护士伊莲的先生大卫·梅森是电脑工程师,大卫在霍金的轮椅上设置了一台小电脑,并且将平等者安装在小电脑里。这样,霍金就不再需要找人做他的翻译,霍金很高兴地说,“与在我失去说话功能前相比,我现在可以更如意地传达信息。”霍金仍旧可以稍微操控他的手来开启开关,每分钟大约能给出15个单字。每一次演讲前,他会事先准备好讲义,然后用语音合成器把内容发表出来。霍金的健康仍旧在缓慢恶化。

2005年他开始使用脸颊肌肉的运动来控制他的通讯设备,每分钟大约可以输出一个字。由于这疾病很可能引起闭锁症候群,霍金正与神经学专家研发出一套新系统,让电脑将他的脑波图样翻译为词句。

*肌萎缩性脊髓侧索硬化症,又称渐冻人症,缩写为ALS,是一种渐进且致命的神经退行性疾病。肌萎缩侧索硬化症由中枢神经系统内控制骨骼肌的运动神经元退化所致。由于上、下运动神经元退化和死亡,肌肉逐渐衰弱、萎缩。最后,大脑完全丧失控制随意运动的能力。最终会造成发音、吞咽,以及呼吸上的障碍。这种疾病并不一定会如阿兹海默病般影响病人的高级神经活动。相反,晚期疾病病人可一直保持清晰的思维、保留发病前的记忆、人格和智力。有90%至95%的发病原因不明。约5%至10%遗传自父母。大约有一半的病例是由两个特定基因引起的。其导致控制随意肌的神经元死亡。

霍金对于理论宇宙学做出重要贡献,特别是对于黑洞奇点、霍金辐射的研究。

霍金的成就可以概括为:

1.奇性定理

贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊于1964年测量到具有各向同性、温度为2,7K的宇宙微波背景辐射。根据大爆炸理论,早期宇宙必定非常酷热与致密,随着宇宙膨胀,辐射应该会大幅度红移,波长变长、频率降低,至今变成微波。因此,这发现为大爆炸理论提供了有力的证据,并且彻底摧毁了稳恒态理论。

在这之前,霍金已对稳恒态理论持怀疑态度。当时潘洛斯正在研究黑洞的奇点,他引入拓扑学方法来研究黑洞,并且理论证明利夫希茨和哈拉尼科夫的论述有误:在每一个黑洞的中心必定存在着一个奇点;在那里有无限高的密度、无限强的引力、无限大的时空曲率。霍金设想,若逆着时间回至宇宙诞生之时,全部物质聚成一点,这亦即为奇点。霍金应用潘洛斯的方法成功证明,如果广义相对论正确,宇宙具有足够物质,则在宇宙起源将会有一个奇点。

霍金的原本表述保证在宇宙起源会有一个奇点,后来,他改变了他的主张,他表示,实际而言,宇宙最初不存在奇点,这是因为广义相对论不是一个完整理论,在宇宙初始时期,早于普朗克时期,由于宇宙的尺寸非常微小,不能忽略量子力学的效应,只靠广义相对论来证明奇点存在是不正确的,必需使用量子力学及广义相对论合并而成的量子引力学理论来研究这论题。

2.霍金辐射

在1970年以前,大多数物理学者认为黑洞只会吸进物质与电磁波,因此四周“漆黑”一片,黑洞的质量亦会随之上升。霍金于1974年指出,依据不确定性原理,宇宙真空并不是完全空无一物,由正能量粒子与负能量粒子组成的粒子对,会不停的生成,负能量粒子不能长久存在,是虚粒子,它必须与正能量粒子在短暂时间内相遇,因此相互湮灭,这样才不会违反能量守恒定律;假若有虚粒子对出现在黑洞的事件视界外的邻近区域,而其中负能量粒子被吸入黑洞,并且从强劲的引力场获得能量,则正能量粒子就能够自由逃逸,因此,能量会被辐射出去,黑洞质量会逐渐减小,最终会消失。假若黑洞质量越少,则辐射发射速率越快,加速黑洞的消失。这理论显示出,量子力学可以除去广义相对论所预测的奇点。或许,量子引力学理论也能避开这棘手的奇点。

这种从黑洞中释出的能量,被称为霍金辐射,由于辐射出射率极其微弱,物理学者无法从观察到它存在的确证。即使黑洞会发射出霍金辐射,其辐射出射率很弱,并且黑洞还会不停地从宇宙背景辐射吸收能量,这意味着只有当霍金辐射大于宇宙背景辐射时,黑洞的质量才会缓慢减少,并且必需要经过极长时间后,才能耗尽能量,造成蒸发。这并不意味无法观测到黑洞蒸发,有一种在宇宙初期形成的原生黑洞,由于温度很高,会发射出大量霍金辐射,有些原生黑洞的寿命大约与宇宙的年龄相等,此时此刻,如果尚未蒸发,它们很可能发射出大量伽玛射线。2008年美国国家航空航天局发射费米伽玛射线空间望远镜,它可以寻找原生黑洞在蒸发时所发射出的伽玛射线特征信号。根据额外维度理论,大型强子对撞机也有可能制成微黑洞。

3.应用性未确立

比较相对论及霍金的学说的应用性,前者对引力及能量的描述,为人类带来核能发电,而霍金的宇宙论,尚未能直接应用于现代科技。但是,注意到适当尺寸的原生黑洞能够发射出功率达到10吉瓦的伽玛射线,假若在不久的将来,物理学者能够找到这类原生黑洞,并且发展出高端科技来利用这种能源,则黑洞学可以带给人类更多实质利益。

霍金的科普作品主要以下几部,内容主要是在论述观于宇宙、人类的问题。

例如:《时间简史》《黑洞、婴儿宇宙及其他》《胡桃里的宇宙》《在巨人的肩膀上》《新时间简史》《上帝创造了整数》《大设计》《我的人生简史》

世界级顶尖杂志《天文学》对他有这样的评价:“当20世纪物理学的成就被客观地承认时,史蒂芬·霍金的成就将被大书特书地载入科学史册。”

最后,让我们缅怀这位伟大的物理天才,一位可以与宇宙对话的奇才,默哀。

巨星陨落,霍金一路走好,他生前有哪些伟大理论?

巨星陨落,霍金一路走好,他生前有哪些伟大理论?

图片来源:牧夫天文

参考资料:

[1]Kelly, Evelyn B.?Encyclopediaof human genetics and disease. Santa Barbara, Calif.: Greenwood. 2013: 79–80.

[2]?Motor Neuron Diseases Fact Sheet. NationalInstitute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS).?[7 November?2010].

[3]Kiernan, MC; Vucic, S; Cheah, BC; Turner, MR;Eisen, A; Hardiman, O;Burrell, JR; Zoing, MC. Amyotrophic lateral sclerosis.?The?Lancet. 12 March 2011

[4]?Ferguson, Kitty. StephenHawking: His Life and Work. Transworld. 2011.ISBN

[5]霍金的主要天文理论是什么? 2016.12.10

[6]英国物理学家史蒂芬·霍金去世,享年76岁.网易科技.2018.3.14

郭浩 本文来源:网易科学人 责任编辑:郭浩_NT5629
分享到:
跟贴0
参与0
发贴
为您推荐
  • 推荐
  • 娱乐
  • 体育
  • 财经
  • 时尚
  • 科技
  • 军事
  • 汽车
+ 加载更多新闻
×

朋友圈的残酷法则:你输在没人脉

热点新闻

态度原创

阅读下一篇

返回网易首页返回科技首页
用微信扫描二维码
分享至好友和朋友圈
x