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斯蒂芬霍金的宇宙

娛樂 更新时间:2024-06-29 10:10:34

斯蒂芬.霍金,作為一個家喻戶曉的科學家,他的科學成就隻能說出色,但是不能歸為偉大那一類。

斯蒂芬.霍金

斯蒂芬霍金的宇宙(廣義相對論光環下的明星)1

斯蒂芬.霍金之所以出名,是因為他的研究是宇宙和天體的演化,相比于研究量子力學的物理學家,他的研究更能吸引大衆的目光。他的物理成就,我們可以用一句話來概括:給出了廣義相對論場方程有解的邊界條件,這些條件稱為能量條件,能量條件一共有四個;在此基礎上衍生出兩個理論,一個是霍金輻射,還有一個是奇點理論。

也有把奇點理論稱為奇點定理的,但是從物理學的角度來講,沒有被觀測證實的理論,都不能成為定律。

霍金輻射和奇點理論都沒有辦法用實驗正式,它們都隻是數學上推理的成果。所以霍金一生都未得諾貝爾獎。

斯蒂芬.霍金畢業于劍橋大學,在牛津大學三一學院獲得博士學位。

牛津大學三一學院,霍金在此獲得博士學位

斯蒂芬霍金的宇宙(廣義相對論光環下的明星)2

牛津大學三一學院,是一個非常牛的學院。之所以叫三一學院,是因為學院方面聲稱上帝是三位一體的。學院成立于1555年,那一年正是大明嘉靖年間,倭寇犯浙江。

牛津大學三一學院出來的學生有很多著名的科學家和政治家,大科學家牛頓就是畢業于三一學院。牛頓因為質疑上帝三位一體,還被學院懲罰過。

亞洲最偉大的數學天才拉馬努金就在三一學院學習。拉馬努金有一個在中國家喻戶曉的師弟,叫華羅庚,他們的老師是英國著名數學家哈代。所以,把斯蒂芬.霍金稱為華羅庚的校友也不為過。

廣義相對論場方程是一個偏微分方程,在通常情況下沒有普遍意義上的解析解。愛因斯坦自己推導出來的方程,他一個解也沒給出

施瓦西給出了廣義相對論場方程天體演化的第一個解,一個不帶電和不旋轉的黑洞。這是第一個現代物理意義上的黑洞。前蘇聯數學家亞曆山大.佛裡德曼給出了廣義相對論場方程宇宙演化的解。

因為廣義相對論場方程求解非常困難,隻有在極端的情況下才有少數的解。所以尋找廣義相對論場方程的解一直是天體物理學家的主要任務。

在上個世紀60年代研究廣義相對論的學術小組除了斯蒂芬.霍金等人以外,還有前蘇聯的一批非常優秀的科學家。

蘇聯科學家仰仗着自己深厚的數學功底,試圖尋找廣義相對論場方程的解析解,結果以失敗而告終。

斯蒂芬.霍金等人采取了一個比較聰明的側面迂回辦法去解決這個問題。他們用了當時比較新的一門分析方法:解析幾何裡的全域法,去搜索解的範圍。得到了四個廣義相對論場方程有解的邊界條件,這些條件被稱為能量條件。

把能量條件代入黑洞視界邊界的時候,會得到一個解。這個解顯示,黑洞有向外輻射能量,這就是所謂的霍金輻射。

霍金輻射示意圖

斯蒂芬霍金的宇宙(廣義相對論光環下的明星)3

在現代物理學的手段裡面,霍金輻射沒辦法被證實。但是根據霍金輻射的理論,黑洞越小,輻射越強烈。如果黑洞非常小的話,在一瞬間就會被蒸發掉。所以人類目前還沒有找到非常小的黑洞,隻是從側面的給了這個理論一個支持。

過了幾年,斯蒂芬.霍金等人又證明:

如果存在裸的奇點,在奇點的周圍會出現閉合的類空測地線和類光測地線,外界物質向奇點掉落的過程會違反因果關系。因此反證出所有的奇點都會被視界所包圍,也就是說不存在裸的奇點。這就是所謂的奇點定律,或者是奇點理論。

可能是斯蒂芬.霍金已經解決了一般性的問題,很多科學家就放棄了這方面的研究。這個領域就隻有斯蒂芬.霍金的聲音最響亮,久而久之,霍金就成了宇宙學裡唯一的權威。

以上就是斯蒂芬.霍金的主要物理學貢獻。

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