霍金死亡全过程(霍金的死亡过程!)

霍金死亡全过程?最近有很多兄弟都十分关心这个问题。还有一部分人想知道霍金的死亡过程!。对此,武陵观察网整理了相关的内容,希望能帮助到你。

出品:中国的科普

制作:左文文(中国科学院上海天文台)

监制:计算机网络信息中心

2018 年 3 月 14 日,霍金去世了,全世界都在哀悼这颗巨星的陨落。作为现代最伟大的物理学家之一,霍金本人甚至是科学的化身。今天是他逝世一周年,让我们重新进入他的世界,进一步了解这位科学巨人的人生历程。

△图:2006年6月19日,霍金参观了天坛(图片来自http://app.myzaker.com/news/article.php?pk=5aa8bba61bc8e01a49000013)

还记得2017年的3月23日,霍金打开新浪微博,来自微博的两条消息吸引了数百万粉丝,可见他在国内的关注度非常高。对许多读者来说,我对黑洞感兴趣,部分原因可能是霍金的科普作品。他积极公开宣传物理理论,并且用通俗的语言写了很多科普作品,相信大家都看过他的书《时间简史》和《果壳中的宇宙》等书籍。大学时,虽然我看不懂《时间简史》,而是被书中的黑洞深深吸引,最后,我决定选择黑洞作为我的研究方向,我还是喜欢。因此,真的要感谢霍金的启发,借此机会,告诉霍金我从书中学到了什么,试图展现一个更全面的他,尤其是他取得了哪些学术成就。

生于战争年代,父母都是知识分子

童年霍金(图片来自百度百科)

1942年1月8日,霍金出生在牛津,我出生在伽利略去世的同一天300年忌日。1942年,在伦敦和英格兰南部的大部分地区,每天晚上都会被德国空军轰炸。当时,相比剑桥,牛津相对安全,因为据说,交战双方似乎达成了默契,如果德国不轰炸牛津和剑桥,英国不会轰炸海德堡和哥廷根。这就是原因,霍金的父母决定搬到牛津,生下霍金。

霍金的父母都是牛津毕业生。父亲主修医学,母亲的学习哲学、政治学和经济学。霍有两个亲生姐姐,菲利帕(小1岁)和玛莉(小5岁)还有一个弟弟爱德华(小14岁)。他们都喜欢听音乐,读聪明的书,罗素是他们共同崇拜的英国人。在别人眼里,他的家庭是一个有点古怪的高级知识分子家庭。

△霍金的父母(图片来自http://m.hexun.com/book/2014-09-15/168471309.html)

学术成就,但是身体跟他开了个玩笑

1952年9月,霍金进入圣奥尔本中学。在学校的表现可以概括为这些特点:用功、看起来很奇怪、笨拙的动作、聪明、和有才华的朋友分享各种兴趣。朋友表情,他很有洞察力。

1957年7月,普通班考试后,学生需要确定选修科目。他也面临着我们可能会遇到的问题:自己的兴趣和父母的期望是有区别的,他希望自己学习数学和物理,因为这两门学科可以帮助他探索宇宙的奥秘;他父亲想让他学医,觉得学数学不好找工作。最后,双方都做出了让步,霍金进入牛津大学大学学院,学习物理和化学。

1959年,年仅17他20岁时进入牛津大学,还获得了奖学金。1962年,他进入剑桥大学攻读博士学位。

△图:牛津游艇俱乐部合影(图中霍金拿着手帕)(图片来自https://zhuanlan.zhihu.com/p/34553201?from_voters_page=true)

进入剑桥大学后,霍金决定选择宇宙学作为自己的研究方向。当研究广义相对论时,他发现自己的数学基础不够扎实,学习上有些困难。不久以后,1963年,他发现自己越来越不灵活,他后来被诊断出患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症,医生预言他可以再活一次2年。

他遭受了致命的一击,感到绝望,感觉自己的人生就像一场悲剧。“为什么这事会发生在我身上?”他曾经问过自己这个问题。在医院里,他出事了,他的一个患白血病的临床男孩死了。这给他带来了很大的触动,他意识到,如果一个人的生命能持续一段时间,他还可以做很多有价值的事情。

在那时,简•怀尔德的出现和他们的爱情给了霍金新的希望,霍金重拾信心。为我自己,为了两个人的未来,霍金决定努力获得博士学位,做一些宇宙学方面的工作。

每个人都出生了:丰富的学术成果

每个人都可能把霍金和黑洞联系在一起,同事们称他为上世纪7020世纪90年代以来在引力和黑洞领域做出突出贡献的众多学者之一,霍金取得了哪些学术成就?让我们一个一个来了解一下。

成果1:早期宇宙中有一个奇点

1965年,数学家罗杰•彭罗斯发现:假设一颗恒星在生命末期坍缩成黑洞,所以不管恒星的初始状态是什么,不管怎么崩,它会在黑洞中心坍缩成无限密度、曲率(弯曲度)无限时空奇点。彭罗斯提议“大自然讨厌赤裸裸的奇点”,因为奇点总是隐藏在黑洞的视界里。

看过霍金·彭罗斯的作品后,如果你认为在时间的开端有一个奇点,那么自然也不一定讨厌裸奇点,因为时间之初的奇点是无法隐藏的。讨论结束后,霍金和彭罗斯开始研究这个课题。1966年,他们联合出版了《奇点和时空几何》,并获得了亚当斯奖。

在他们研究这个课题之前,一些科学家还认为,如果我们根据理论回到膨胀的宇宙,那么时间开头的情况就很复杂了,粒子会互相碰撞,弹开,产生一个混乱的火球。1969年,两人发展了一种新的数学技能,用于分析点在时间和空间上的相关性,消除粒子间无序造成的混乱。他们的结论是,如果广义相对论是对宇宙的正确解释,然后在时间的起点有一个奇点。这个奇点与黑洞中心的奇点具有相同的性质,物质密度是无限的。

△(图片来自https://m.baidu.com/tc?from=bd_graph_mm_tc&srd=1&dict=20&src=http%3A%2F%2Fchannels.theinnovationenterprise.com%2Fauthors%2Fgeorge-hill&sec=1552273572&di=b580a021f2c8718a&is_baidu=0)

成果二:利用广义相对论来发现,黑洞的表面积不会减少

当时黑洞的概念还很模糊,将霍金的研究重点从奇点转移到黑洞视界周围,离黑洞最近“表面”发生了什么事。研究兴趣的变化有很多原因。

一方面,不管理论预测的奇点会发生什么,无法通过观察来检验,因为奇点隐藏在黑洞视界内部(当然,除了时间起点的奇点)。但是黑洞视界的事件,可以通过观察发现。另一方面,70年代的重要发展,来自比光波长更短的波长X射线,使得寻找黑洞候选体成为可能。在这些情况下,霍金和彭罗斯期待开发一种方法,来描述黑洞的视界。

1970年11月,露西是霍金和简的第二个孩子,刚刚出生。在某一晚上,霍金慢慢脱下衣服上床睡觉。突然间,他意识到彭罗斯和他在一起66证明奇点的技术发展于(提出了黑洞视界的一个实用的数学定义),有许多技术应该应用于黑洞。

那天晚上,他想到:如果物质或辐射落入黑洞,黑洞的表面积会增加。即使两个黑洞碰撞合并,新黑洞的表面积也比(或等于)最初两个黑洞的表面积之和。这便是黑洞的表面积不会减少。

黑洞(图片来自视觉中国)

成果3:利用广义相对论和量子力学来发现,黑洞

1973年早期,霍金和彭罗斯开始用热力学现象来模拟黑洞。同时,普林斯顿大学有个研究生,叫贝肯斯坦,不满意类比,相反,把这个想法应用到黑洞上。根据热力学第二定律,在孤立的系统中,系统总是自发地朝着混沌递增的方向变化,使得整个系统的熵值增加。熵也成为表征系统混沌程度的物态参数。这个年轻的研究生认为,黑洞视界的大小可能是黑洞熵的一个度量。

但是霍金当时很不开心。他认为,熵与温度直接相关,如果黑洞的表面积是熵的量度,那么黑洞的表面积一定也是温度的量度。但是如果黑洞有温度,那么热量肯定会从那里流向寒冷的宇宙,换句话说黑洞辐射能量。这关系到黑洞最基本的事实——任何东西包括电磁辐射,无法逃离黑洞——只是冲突。于是,霍金和他的合作者合写了一篇文章,1973发表于《数学物理交流》上,指出以上正是贝肯斯坦思想的致命伤。他们说,“事实上,黑洞的等效温度是绝对零度……黑洞不能发出任何辐射。”

但不过1年,霍金改变了主意。故事还得讲回去1971年,当时,霍金发表了一个理论,当我们回到时间的起点,你会发现一个特殊的时期,压力大到足以把任何大小的物质——即使只有几克——压入黑洞。换句话说,大爆炸可能产生许多甚至比原子核更小的东西 “微黑洞”,也许现在的宇宙中有很多这样的微型黑洞。

根据黑洞的标准,微型黑洞的质量非常小;但是,根据日常标准,微型黑洞的质量仍然很大,例如,质量大约是10亿吨(地球上一座山的质量)的黑洞,大约是质子的大小。研究这么小的物体,物理学家知道只有用量子理论,去探索其中的奥秘。

为了更好地解释黑洞的行为,为了和贝肯斯坦的观点竞争,当霍金思考这个问题时,我们必须把量子物理学和广义相对论结合起来,最终只是部分统一。实际上,早在1973年,苏联物理学家证明旋转的黑洞会抛出粒子。苏联物理学家的想法引起了霍金的兴趣,但是我没有说服他。他开始寻找一种精确的数学形式来描述它,最后他发现了,不旋转的黑洞也有同样的现象。

他的数学方程式的结论是,所有黑洞都会发射高能粒子,所以每个黑洞都有温度。这个温度,黑洞的表面积就是黑洞的熵,这与热力学预言完全一致。

具体思路是这样的,根据量子测不准原理,真空的每一个微小部分,实际上包含了相当多的能量。能量只能来自真空“借用”很短的时间(普朗克时间:1e-43秒),与时间测量固有的不确定性有关。粒子必须成对产生,在宇宙形成之前“注意”直到这种能量被借用,它们因相互作用而湮灭。

对于不旋转的黑洞,当一对虚粒子刚好在黑洞附近的视界之外产生时,在量子不确定性允许的极短时间内,其中一个粒子可以被黑洞捕获,这样另一个粒子就不会互相毁灭,所以他们会带着另一半能量逃跑。以这种方式辐射被称为“霍金辐射”。

这种能量来自黑洞的引力势能,黑洞的引力势能与其质量有关。在这样的活动之后,黑洞引力势能的损失,黑洞失去了部分质量。如果其他条件保持不变,黑洞会缩小。

切记,根据理论,这个过程很慢,即使是质子大小的微小黑洞,蒸发到爆炸的程度,这需要几十亿年的时间。太阳大小的黑洞是由于“霍金辐射”产生的温度大约是开尔文的万分之一;对于一个质子大小的黑洞来说,温度大约是1200易·凯尔文。所以当微黑洞逐渐失去质量变小的时候,最终天气变得越来越热,辐射的速度越来越快,最终会爆炸X甚至伽马射线。

当霍金发现这些理论并发表时,大约在1974年。当时这个结果是在开头,没有投票给《自然》杂志,相反,我把它带到了一个鲜为人知的、美国重力研究基金会主办的论文竞赛,论文的标题是《黑洞》。关于黑洞爆炸的正式论文——《黑洞爆炸》出现在1974年3月1日的《自然》。

还记得他的第二个成就吗,早在1971年,霍金就发现黑洞的表面积不会减少,黑洞不会缩小,黑洞和热力学之间的关系建立起来了。现在他发现了,加上量子理论,黑洞和热力学的联系得到了加强,但是也发现黑洞是霍金辐射造成的,必须收缩。

成果4:宇宙的开端——无限假设

如果只用广义相对论,可以推断出黑洞的表面积并没有减少;如果我们再次考虑量子理论,那么它不仅会缩小,最后会变成伽马射线消失。

如果只用广义相对论,可以推断宇宙一定是150亿年前,以无限的密度、体积是0奇点。因此,霍金对自己的下一个问题是:如果考虑到量子效应,所以这个宇宙开始奇点的预测,会有什么样的变化?

自从20自从20世纪70年代的量子革命以来,物理学家一直试图构建一个完整的、统一理论。但事实上,直到今天,还是没有。但是,霍金专注于一个特殊的问题——时间的起点,如何统一量子力学和广义相对论。

他在这个问题上取得了一些进展,但是在80在s开始时,提出了以下问题:时间有奇点吗?

1981年,霍金在梵蒂冈宣布了最新理论——应用理查德•费曼的路径积分解释了宇宙的创造。霍金试图用历史求和的方法来描述宇宙的整体演化。当然,目前这是不可能的,因为只有一个宇宙的历史,就包含了每个粒子从宇宙的开端到终点的各个路径。更何况,历史的总和,包括宇宙演化的每一条可能的路径,加在一起。

但是霍金发现,只要不使用边界条件,计算可以简化,没有必要考虑每个粒子在时空中的每一条路径,取而代之的是,历史总和的概念被应用于不同曲率的弯曲时空,发现广义相对论允许不同曲率的宇宙存在,和有一些弯曲的宇宙,可能比其他宇宙更有可能出现。

如何描述无边界条件?如果宇宙是一个像黑洞内部一样的封闭时空,所以根据标准的大爆炸理论,把宇宙想象成一个气球的表面,从大爆炸到大崩溃,相当于一个气球从一个点膨胀到一个大气球,然后它缩小,变成一个点,霍金观点的出发点和最后一点是“边缘”。他的无边界模型是希望没有边界的宇宙模型。仍然使用气球的表面作为类比,此时,气球的大小保持不变,球体上的点代表宇宙的某个阶段,把北极想象成宇宙的开端,继续向南走,气球的圆形横截面越来越大,意味着空间越来越大,宇宙正在膨胀;到达赤道后,再往南走,气球的圆形截面越来越小,直到到达南极,宇宙正在缩小,直到它倒下。

霍金还强调说,这个无边界条件只是猜测。然而,这种推测源于量子力学的思想和广义相对论的局部综合,给出一个宇宙本质的概念——宇宙可以以不同的曲率存在,但是宇宙的某些曲率更有可能存在。我们不知道答案。

成果5:“宇宙之外是什么”对…的初步探索

即使霍金提出了无边界宇宙模型,但是还是有很多人想了解宇宙“外面”是什么。1981年前后,其他宇宙学家和霍金开始关注一个问题:宇宙的一颗微小的种子,如何成长到今天这样一个扁平的宇宙?

宇宙的“外面”是什么(图片来自三体网)

他们提议,在早期宇宙的某个时刻,它经历了快速膨胀,即暴胀。在这种情况下,它可能表明,除了我们的宇宙,还有无限的宇宙,宇宙之间,被超密集的伪真空形成的密不透风的墙永远隔开。从某个角度来说,这个概念毫无意义。因为我们看不到其他宇宙,它们永远不会对我们的宇宙产生影响,那你为什么在乎呢?

但是,也有理论计算,事实上,创造宇宙的方式不止一种,在某些情况下,不同的宇宙会相互作用,如果有互动,也许我们可以试着找到观察证据。天文学是一门注重观察证据的科学。

在这个领域,霍金也很感兴趣,并提出了一些看法。这里就不赘述了。

除了科学研究,他还致力于科普

霍金为全球公众所熟知,主要原因之一是他在科普方面的突出成就。他积极开展科普工作,创作了《时间简史》、《黑洞、婴儿宇宙及其他》、《站在巨人的肩上》和《果壳中的宇宙》优秀的科普书籍,他还和女儿一起创作了一套乔治系列的科普书籍,对宇宙奥秘生动有趣的介绍。他的书有一个特点,公式少,故事多,但还是有点难以理解。

最近几年中,霍金还提出了一些我们认为是一些科幻小说的观点,他称之为地球200将在年内被摧毁,人类只有移民到其他星球才能生存。他的想法很奇怪,想想也不奇怪。只不过这个想法很特别,他还喜欢和人打赌,每个人都知道他和他的好朋友基普•索恩的赌注。

△图:2016年4月12日,霍金在演讲台上(图片来自http://app.myzaker.com/news/article.php?pk=5aa8bba61bc8e01a49000013)

总结

一个年轻人进来了2118岁那年,他得了重病,医生被告知他只能再活两年了,然而,在以后的生活中55年中,面对身体不适、语言交流不畅的现实,他运用他的智慧,或者独立地、或者和一个伙伴,数学证明如果广义相对论是对宇宙的正确解释,然后在时间的起点有一个奇点;基于广义相对论的发现,黑洞的表面积不会减少;基于广义相对论和量子力学的发现,霍金辐射,黑洞的表面积会减少;尝试综合广义相对论和量子力学方法提出无边界条件,也许宇宙可以以不同的曲率存在,但是概率不一样;参与了宇宙膨胀理论的研究

除了科学研究,他还积极从事科普书籍的创作、科普讲座等,给公众带来了知识。为了促进人与人之间的交流,他也是各种科学和社会活动的常客。他的成功,没有朋友和家人的关心和爱,你就活不下去,更何况这离不开他自己的坚持和努力。他善于发现乐趣,发现希望。“如果生活中没有乐趣,那将是一场悲剧”。愿所有读者都能向他学习,除了看到天才,我仍然能看到那种努力和乐观。

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评论列表(11条)

  • 宋蹿亦
    这一年过得也太快了吧
  • 成啪捧
    霍金大师永垂不朽
  • 巫马诚濒
    太快了,一年了
  • 任舌
    霍金的东西只能当做科幻作品
  • 巴叮弦
    开飞船进黑洞看看呗
  • 微生收源
    好像在创作科幻大片!
  • 闽栈芯
    N
  • 申屠疹饥
    霍金,西方推崇的科学家。没有鸟用,特斯拉那么厉害也没见推崇,比爱迪生还要牛的科学大咖
  • 袁放写
    黑洞表面是什么形状。里面是什么
  • 元弯胁
    转发了
  • 闻人砷
    转发了

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