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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，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中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，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）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，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，意味着黑洞可以蒸发据霍金的计算，黑洞的寿命与其质 量的三次方成正比黑洞越小，辐射得越快，寿命越短例如，一个太阳质量的 黑洞，它的寿命约为1065年，比宇宙年龄还大1054倍！但一个质量仅相当于一 辆小车的黑洞（其直径仅为一个原子核直径的十亿分之一），其寿命只有1纳秒， 在蒸发的瞬间，亮度将是太阳的200多倍。

霍金提岀，我们或许可以通过观测宇宙中微型黑洞的蒸发来检验他的理论，不过 这太难了，所以至今仍没观测到，否则霍金生前得个诺贝尔奖是不成问题的北极在无边界宇宙模型中，奇点是高维时空曲面中 的一个点，类似于地球上的北极：你不可能走 到比北极更北的地方，但那里并没有边界，那个 点也只是球面上一个普通的点黑洞信息悖论和霍金的赌局 霍金提出的黑洞辐射，对于黑洞的认识是革命性的但霍金很快发现，这会带來 一个新的问题这种辐射看上去杂乱无章，相当随机霍金推测，既然如此，辐射就不可能携带 任何与掉入黑洞的物质有关的信息譬如，朝黑洞掷一只猫和掷一只狗，所发出 的霍金辐射是一样的，因此一直到黑洞死亡消失，我们也没法知道有什么东西掉 到里面就好比我们无法利用一杯热水里蒸发出来的水分子来判断这杯水是糖开 水还是盐开水一样这意味着，待黑洞蒸发殆尽，它所包含的信息就被毁掉了 然而，这与量子力学的一项核心原则相冲突这项原则说：宇宙中的信息是不可 摧毁的这就是黑洞的信息悖论当然，如果不存在霍金辐射，黑洞也会摧毁信息霍金等人曾经证明了一条“黑 洞无毛定理”，说：不管一个黑洞是如何形成的，最后只要用三个参数，即质量、 电荷和角动量，就能完全地描述这个黑洞。

至于形成过程中的细节，譬如究竟是 阿猫述是阿狗掉进去，坍缩成黑洞的恒星是方的还是球形的，这一切统统都会被“灭迹”不过呢，因为奇点的性质特殊，你可以说，所有的信息都藏在奇点, 但取不出来；你也可以说，奇点密度无穷大，所有的科学规律连吋空概念本身在 该处都统统失效了，所以量子力学也不适用反正只要奇点存在，就暂时可以当 作回避这一问题的挡箭牌但有了霍金辐射之后，“挡箭牌”没了，所有黑洞里 的物质又回到FI常世界中，所以我们不得不直面这个问题围绕这个悖论，1974年霍金和他的好友量子物理学家约翰•普利什基尔曾打了 一场赌：霍金赌黑洞蒸发殆尽时信息真的会丢失，而普利什基尔坚称信息不会丢 失30年之后，霍金认输了但由于这一悖论的复杂性，问题并没有随霍金认 输彻底解决事实上，前些年普利什基尔主动为霍金“翻案”：也许霍金是对的， 只是他认输太早了说句题外话，霍金一生“好赌成性”，而且总是赌运不佳：他曾经跟朋友打赌天 鹅座XI不是黑洞；他曾经打赌，希格斯粒子不存在；他曾经打赌“自然厌恶裸 奇点”；但所有这些赌局中，最后认输的总是霍金在黑洞的视界附近，一对虚粒子中的一个被黑洞吸了进去，另一个就逃离黑洞，形成霍金辐射。

提出无边界宇宙模型众所周知，宇宙大爆炸理论迄今已取得巨大的成功，其对大爆炸之后百分之一秒 到今天的宇宙的演化情况已描述非常清楚，而且得到了实际观测的有力支持然 而，对宇审极早期的研究却遇到了极大的困难最大的难题是那个“奇点”细心的读者也许还记得，霍金的研究生涯就是从研 究“奇点”开始的最初是研究黑洞的奇点，然后他和彭罗斯一道证明，宇宙大 爆炸的开端必存在一个奇点而在这样一个遭遇无穷大的地方，所有科学定律甚 至时空概念木身，都面临失效换句话说，奇点是无法研究的这个奇点让物理学家如醺在喉现在，霍金又着手消除这个自己之前证明了的东 西，办法是在广义相对论的基础上引入量子论霍金是在宇宙学研究中最早试图让物理学上两个互不相容的理论一一广义相对 论与量子论一一联姻的联姻的第一个成果就是霍金辐射现在，他又想用量子 论来研究“婴儿宇宙”这样做的理由是,在宇宙极早期，整个宇宙都非常微小， 可把它看作微观粒子，而统治微观世界的是量子论1983年，霍金和美国物理学家哈特尔发表论文《宇宙的波函数》，开创了量子 宇宙学的研究他们提出一个“无边界宇宙模型”在这个宇宙模型中，宇宙在 吋空中没有边界，在大爆炸之前，吋间并不存在，谈论人爆炸之前的宇宙是没有 意义的。

经典大爆炸理论中绕不开的奇点，在更高维度的时空中，被类似地球北 极的一个点所代替北极是地球的一个尽头，沿着球面，你不可能走到比北极更 北的地方，但那里并没有边界，那个点也只是球面上一个普通的点，仅仅只是所 有朝北走的路线都汇集到这个点上了而己这又是一个深奥的理论，涉及很多量子物理学的知识，甚至引入了 “虚时间”的 概念，已经远远超岀了一般读者的理解能力，在此我们不再赘述据说霍金十分 珍爱这个思想，一般人把提出黑洞辐射视作他对物理学的最大贡献，但霍金自己 却认为，无边界宇宙模型才是他的最大成就他相信，现在虽然能懂这一理论的 人寥寥无几，但以后它会像哥白尼的日心说、爱因斯坦的相对论一样，成为人类 的“常识”的以上就是霍金对物理学的主要贡献回顾他的一生，可谓硕果累累这些成果极 大地丰富了我们对宇宙的认识考虑到这些硏究的抽象和艰深，以及霍金从事这 些研究时的身体条件，当然更要让我们肃然起敬一些人把霍金称为“继爱因斯 坦之后最伟大的物理学家”，虽然就其成就而言，似有过誉之嫌，但他所代表的 精神对于这一称呼应该说是当之无愧的小贴士 裸奇点 所谓裸奇点，就是没有视界的奇点奇点外面一般总是有个视界包着，但计算机 模拟显示，在黑洞碰撞或蒸发过程中，视界可以消失，让奇点裸露出来。

爛和热力学第二定律嫡是热力学上用来代表系统无序度或者随机性的一个物理量什么叫无序度或随 机性？我们来举个例子在一个正方形的玩具屋里，有20个玩具屋子地板上铺着100块瓷砖妈妈打 扫完屋子，把玩具都扫到了屋子靠墙的一行地砖上，它们被随机地堆放在一起 假设玩具足够小，即使在一块瓷砖上，全部玩具也能堆得下现在我们来看看有 多少种摆放方式：第1个玩具可以选择放在10块瓷砖中的任意一块，共有10 种选择；第2个玩具，也有10种选择；……于是20个玩具在10块瓷砖上的分 布方式就有10X10X……X 10种选择，也就是1020种可能这就是此吋玩具的 无序度因为1020这个数太大，物理学上通常取它的对数20,作为此时这堆玩 具的爛假设等妈妈扫完地后，小朋友在屋子里又玩起来了，把玩具满屋子乱甩现在, 每一个玩具都可以有100种选择，于是无序度就变成了100X100X ……X 100二 10020二 1040对应的爛是 40跟上面的玩具一样，假如系统是一袋气体，其嫡就是所有分子在空间的“摆放” 方式热力学第二定律说的是，一个孤立隔绝的系统，它的嫡随着时间的推移总 是只增不减的这个结论其实是分子无规则运动的结果。

比如，一瓶香水倘若敞口放在一间屋子 里，那么分。