霍金对物理学的贡献

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1、霍金对物理学的贡献2018年3月14日，英国物理学家霍金在轮椅上走完了他的一生，享年76岁。霍金的一生极富传奇性。他以一副病躯，执着于思考宇宙、黑洞、时空等深奥的主题。一般人以这样的身体条件，大概能对科学泛泛地有所了解就己经很不错了，而霍金对宇宙的研究，可以说代表了当前人类对宇宙认识的高峰，所以他木人,早已成为人类强大的精神可以战胜脆弱的肉体的一个象征。在这篇文章里，让我们来盘点一下他留给我们的精神遗产一一他对物理学的贡献。霍金一牛的工作是跟黑洞联系在一起的，我们就从黑洞谈起。2017年因引力波研究获诺贝尔物理学奖的美国物理学家基普•索恩在一本书中写道：“在人类大脑所有的概念中，

2、包括氢弹、独角兽，最为奇特的可能就是黑洞。它有确定的边界，任何东西都会掉进去却没有东西能逃出来。它有极强的引力场,以至光线也在它的掌握Z屮。它扭曲了空间和时间。像那些奇形怪状的野兽一样,黑洞似乎更适合安居在科学幻想或古老的神话里，而不是现实的宇宙中。然而现代物理学定律确实预言了黑洞的存在。银河系里就可能有上百万个黑洞。”黑洞有两大特征：一是中心藏着一个密度无限大的点，叫奇点；二是外围有一个圈，叫视界。那是黑洞内外的分界线，外界的东西一过视界，连光也休想再从里面出来。不过要注意，视界并非实体。你要是掉进黑洞，在往奇点坠落的过程中是感觉不到视界的存在的。如今，这两点已是关于黑洞的常识

3、，但在上个世纪60年代，即霍金刚踏入学术圈的时候，大家却对奇点的存在深表怀疑。因为它的密度无限大，这一点让物理学家接受不了。在他们眼里，岀现无限大，意味着预言黑洞存在的广义相对论有什么地方错了。让物理学家不得不直面奇点的是英国物理家彭罗斯和霍金。1965年，他们在黑洞研究中引入拓扑学，从数学上严格证明：在广义相对论框架内，每个黑洞内部必然藏有一个密度无限大的奇点；要想让黑洞中心不出现奇点，是不可能的。这一结论被称为黑洞的“彭罗斯-霍金奇性定理”。最令人惊讶的是，奇性定理具有很强的普适性，适用于一切现实中坍缩的恒星。这就打消了一些物理学家的念头，告诉他们必须接受奇点这个难以理解的东

4、西。彭罗斯和霍金因此项贡献共同获得1988年的沃尔夫物理学奖。小贴士此外，在整个1960年代，彭罗斯和霍金等一批物理学家结合拓扑学和广义相对论，创立了一套有力的数学工具，现在我们称之为“整体方法”。1970年，霍金和彭罗斯利用这套方法证明，我们的宇宙在它人爆炸膨胀的开端有一个吋空的奇点；如果它有一天会再次坍缩，那么必然还会在大挤压中产生奇点。拓扑学拓扑学是几何学的一个分支。它研究物体在连续改变形状后还能保持不变的一些性质（如这个物理里洞眼的数目等）。与一般几何学不同的是，拓扑学只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。它对“点与点之间的距离”这类问題不薦兴趣，只关心点与点的

5、连接方式，如“连没连？”“怎么连？”这类问題。区域内，只要没九£洞尊卸缈区域，那么所有黑扃的条卅亵★即视黑洞蒸发和霍金辐射1970年11月的一个晚上，霍金正准备睡觉，忽然有了一个想法，它來得那么急,令他差点喘不过气来。这个思想是由一个简单的问题引起的：当两个黑洞碰撞合并在一起时，视界的面积会发生什么变化？在那个不眠之夜，霍金凭着他深刻的直觉猜测：不论黑洞如何旋转，如何碰撞,最终黑洞视界的面积一定总是大于原来黑洞视界面积之和。后来，他从理论上严格证明了这一点。这个结论被称为“黑洞面积定理”，其更准确的表达是：在某个区域内，只要没有黑洞移出这个区域，那么所有黑洞的表面积（即视界面积）

6、之和随着时间的推移总是只增不减的。没料到，这个发现开启了黑洞研究的新篇章。首先是美国物理学家贝肯斯坦注意到，这个黑洞而积定律跟热力学第二定律极其相似。在热力学第二定律中，一个隔绝孤立系统的爛也具有“随着时间的推移只增不减”的性质。他认为，这不是巧合，黑洞的面积必定跟黑洞的嫡有着某种内在的联系。刚开始，这一想法受到包括霍金在内的许多物理学家的嘲笑。嘲笑是不无道理的。因为从经典的角度看，黑洞除了一个奇点，什么都没有；那个所谓的视界，其实并非实体；黑洞内部空空如也，所有东曲都被奇点吞噬。你耍是朝黑洞扔一袋气体，这袋气体连同它携带的分子运动随机性（即嫡），也将一并被奇点消灭。在这种情况下

7、，黑洞还有哪来的物质分布随机性呢？再说，如果黑洞有嫡，那么从热力学角度看也应该有温度，有温度就会有辐射，可是黑洞是任何东西都不可能逃出的天体，怎么可能有热辐射呢？但岀乎意料的是，1974年霍金的态度来了个一百八十度的大转弯，他不仅承认黑洞有温度，其表面积代表它的幡，而H证明黑洞确实有热辐射，此即著名的霍金辐射。霍金辐射的提出应该是霍金对物理学最人的贡献，因为它完全改变了我们对黑洞的看法。原先我们以为黑洞是只进不出的吝啬鬼，现在知道它也并非“黑”到那一步。辐射总是要损失能量，意味着