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纪念霍金前,你最好知道他干了什么 (组图)

京港台:2018-3-14 18:33| 来源:严伯钧 | 评论( 14 )  | 我来说几句


纪念霍金前,你最好知道他干了什么 (组图)

来源:倍可亲(backchina.com) >>美国打折网,购物神价直播!

  每当什么重要的、对社会有贡献的名人去世了之后,朋友圈总会呈现出一片哀鸿遍野,全在R.I.P.,给人的感觉就跟他(她)已经关注了这个人很久一样

  这让我想起一段上大学时候一位教授的吐槽:在2006年的时候,香港(专题)科技大学的高等研究院(IAS) 开埠,请了霍金来作开幕致辞,当时可谓是人山人海,盛况空前,这个时候我的教授吐槽了,他说,坐在第一排起立热烈鼓掌激动无比的,其实是各界跟物理毫无关系的社会名流,包括各种明星大腕,政商界人士,你们这些专业学物理的学生,坐在很后面,根本看不到霍金,然而这些专业不相关的明星们却在第一排热烈地鼓掌似乎关注了这个领域很久终于见到了祖师爷一般地激动,真是好有趣。

  不论什么领域,不论职业、国籍、人种、性别,基本是有点格调有点名声的人走了,总要在朋友圈刷RIP,就好像前两天纪梵希老爷子走了,尽管我之前根本不知道纪梵希的创始人是个老爷子,也根本不知道他是一个生活在当代的人,更没有买过他们家的东西,所以他走了,听了他的故事,觉得真是很了不起,但是说实话我也还是没啥感觉,所以我也不会刷RIP。

  名人走了之后必在朋友圈表示沉痛悼念,虽然我不知道这属于什么毛病,但是有一条应该是不会错的,既然你表示对人家哀悼,至少应该知道人家是干嘛的,具体贡献在哪里,就好比今天霍金大师去世了,你除了知道他身残志坚,知道他对物理学的贡献在哪里吗?知道他为什么没有拿诺贝尔奖吗?知道他具体得的什么病吗?不知道这些你刷什么RIP?做事做全套,刷了RIP,就来看看霍金到底干了什么吧,免得以后穿帮。

  - 奇点理论 -

  这算是霍金最早的比较主要的学术成果,是霍金的博士论文研究的内容。总得来说,就是通过对爱因斯坦的广义相对论的深入研究,获得了宇宙起源的一些的结论。所谓的奇点理论,这里说的是真的广义相对论里的奇点理论,不是人们熟知的那个什么人类社会将会遭遇“singularity”的那个社会学理论。

  真正的奇点理论的先行者是彭罗斯(Penrose)。在一套理论框架之下,出现的那些该理论会崩坏的点,就是奇点。最简单的例子,一个函数:1/x,只要 x 不等于0,这个函数都是有定义的,不论 x 多接近0都没有关系,这个函数的数值只是会大得没有边,但是就是不能等于 0 ,等于零的时候不是无穷大,而是没有定义,这个函数在 x = 0 这个点“坏掉了”。广义相对论当中也存在这样的情况,比方有限的质量,被压缩在体积趋近于0的空间当中,密度就会趋向于无限大,这就会产生一个奇点,一类黑洞就属于这种情况,在黑洞里面,现有的物理学定律会坏掉,不顶用。这是彭罗斯对于广义相对论在奇点情况下作出的研究。

  霍金的博士论文做的事情,就是把这种奇点的思想推广到了全宇宙。霍金得出了一个结论,就是在宇宙大爆炸之初,整个宇宙应该就是这样一个体积为 0 的奇点,密度无穷大。但是最后霍金似乎又推翻了自己的结论,因为他在做博士论文的时候没有把量子力学考虑进去,根据量子力学的不确定性,在宇宙大爆炸之处,宇宙不可能是个奇点,因为在普朗克秒尺度下,广义相对论是不顶用的,所以不能得出奇点的结论。

  

  彭罗斯(Roger Penrose,1931 - )

  - 霍金辐射 -

  霍金一生的研究几乎都和黑洞有关,而且霍金关于黑洞的理论经常经历一波三折,还经常能推翻自己。“霍金辐射”是霍金最重要的研究成果之一。

  首先我们要明确,黑洞这个概念是来自于爱因斯坦的广义相对论的推论,并不是我们能在天体观测中实实在在观测到的天体。总得来说,所谓的黑洞,就是引力大到光都没有办法逃脱这个星球的束缚的天体。既然光都跑不出来,更加跑不到我们眼睛当中,也无法跑到天文望远镜当中被我们看到,所以通过观测的方式,是没有办法探测到黑洞的,因为黑洞从定义上,就不会给你任何能够被探测到的信息,只能通过间接的天体现象,去推测黑洞的存在。比方说最近一段时间发现的“引力波”,推测是来自于两个黑洞的合并,才在宇宙当中搅扰出了那么大的动静,才能被探测到,因为引力波实在太弱了,不是黑洞这种引力超级强的天体搞出来的动静,人类的仪器根本探测不到。

  传统的黑洞的研究,也就是从爱因斯坦广义相对论出发去研究黑洞,得出的结论是黑洞一旦形成,是一个只进不出,不断从外界吸收物质并壮大的天体,但是到这里,人们还一直没有考虑到量子力学的影响。要知道广义相对是研究大尺度时空规律的学说,到了小尺度,微观尺度,不考虑量子力学是不行的。

  1973年开始,霍金开始着眼于量子力学,在这之前,霍金与同事们对于黑洞的研究已经做出了所谓的“黑洞四定律”的成果,其中就有黑洞的“视界线”永远不会缩小的结论,大致就是说黑洞只能越来越大,不会变小,但是后来霍金发现这种想法还是太过“Naive”了。所谓的“视界线”可以被认为是黑洞的“准入门槛”,一旦进入视界线,就只能被黑洞吸进去,再也出不来了。

  霍金辐射就是考虑了量子力学的效果之后得出的结论。霍金认为,在黑洞的视界线周围,根据量子力学, 哪怕是没有物质的真空,也会出现真负能量以及正负质量的正反粒子对,这样的粒子对,负能量产生在视界线以内会被吸进去,这部分负能量会抵消黑洞内部的物质,而正的能量质量会被排出黑洞的视界线以外,这样一来,总体的效果就是根据量子力学,术语叫“量子涨落”,黑洞的质量在不断减小,或者术语叫“蒸发”(evaporation),被排出来的正粒子的总体效果就好像是黑洞辐射出来的一样。

  越小的黑洞蒸发的越快,大的黑洞反而蒸发得慢。原因是,体积是半径的三次方增长,表面积是半径的平方增长,也就是随着黑洞越来越大,黑洞的增大的速度比黑洞蒸发的速度快,所以越大的黑洞蒸发的越慢,这里看不懂没事,elementary math。

  还记得LHC,就是位于瑞士日内瓦的大型强子对撞机在开始试验的时候,很多人反对,说是这样强的能量等级以及能量密度,会大到足以制造一个黑洞然后把整个地球都吸进去,当时霍金就打赌说,如果真的有黑洞,那么这个黑洞由于是微观实验造成的,所以体积很小,根据他的霍金辐射理论,这样小的黑洞很快就蒸发掉了,不会对人类社会产生影响。

  - 无边界宇宙 -

  1981年的时候,霍金在梵蒂冈参加了一个研讨会,他提出了所谓的“无边界宇宙”,大概的意思就是说,人们总是在问,在宇宙大爆炸之前是啥样的,这个概念是不对的,因为时间在宇宙大爆炸发生之前,“时间”根本就不存在,所以不能用“之前”这个概念。霍金认为,宇宙没有所谓的开头和结尾,现在看好像如果我们沿着时间回溯,可以反推到宇宙大爆炸,宇宙从大爆炸诞生,之后加速膨胀,膨胀到一定程度之后宇宙会开始坍缩,这个时候,时间就会倒流,宇宙加速收缩,收缩到大爆炸时候的情况,然后再爆炸,如此循环反复,这件事情就好像,你从地球上的北极出发,你不可能走到比北极更“北”的地方,因为不存在比北极更“北”的地方。但是你从北极出发,一直走,绕一圈最后还会回到北极。

  

  霍金还跟一个叫 James Hartle 的美国物理学家,搞出来了一个叫“Hartle - Hawking”的模型来描述这个无边界宇宙在宇宙大爆炸之初,普朗克秒时间内的状态。

  这一时期的霍金研究的东西,感觉已经在物理之上,讨论的是更加形而上学的甚至更加哲学,甚至需要神学参与的领域了。“无边界宇宙”的学说,似乎并没有排斥上帝的存在,所以你看看,这研讨会是在梵蒂冈开的,不知道是不是教皇请了一群物理学家来给上帝打call。

  - 希格斯玻色子 -

  希格斯玻色子(Higgs Boson),是由英国物理学家 Peter Higgs 在上个世纪六十年代提出的粒子物理的重要理论,也被称为“上帝粒子”。这个理论,解释了为什么物质会有“质量”。粒子物理中,解释万事万物成因的理论叫做标准模型,Standard Model,标准模型企图把自然界的所有四种力进行统一,但是标准模型基本只能统一其中的三种,分别是电磁力(现实生活中除了引力之外的,比方我捶你一拳这种机械的力,其实都是电磁力),主管原子内部的,原子核里质子和中子之间作用力的“强力”,以及主管核裂变等核反应过程的“弱力”,第四种力就是万有引力。万有引力怎么都统一不进去(弦论似乎可以做到这件事情)。

  

  希格斯(Peter Higgs,1929 - )

  希格斯玻色子,或者说所谓的希格斯机制,是标准模型当中的最后一环,其中弱电统一理论和标准模型都已经在上世纪七十年代得过诺贝尔奖,但是希格斯粒子由于实验条件的问题,所以一直没有办法验证。LHC的建造,其中一项重要任务就是验证希格斯粒子的存在。实验之前,霍金曾经打赌说希格斯粒子找不到。可是最后希格斯粒子真的2012年被找到了,霍金立即表示自己错了,并建议说希格斯应该获得诺贝尔奖,幸亏希格斯命足够长,2013年就获得了诺奖,足足等了五十年!

  - 为何霍金没有拿诺贝尔奖? -

  霍金没有拿诺贝尔奖的原因其实非常简单,就是因为霍金做的这些研究都超出人类的实验能力太多了,几乎没有办法被实验验证,既然没有办法被验证,当然是没有办法获得诺贝尔奖的。

  霍金研究的领域,总体来说是宇宙学,宇宙学就伴随着对于宇宙天体的观测和研究,到现在人类都没有办法飞出太阳系,更加不要说从实验的角度去研究更加深层次的宇宙。杨振宁(专题)曾经说过现在人类在物理学理论上研究进展超过了人类实验能力差不多300年时间,所以像霍金这样走在理论研究最前沿的人,他的成果自然更加难以被验证,他做了那么多黑洞的研究,但是人类现在都没有正儿八经地发现过黑洞,谈何实验验证?

  其实也正是缺乏实验的验证,所以在几乎没有太多实验依据的情况下,霍金的理论更多的是一种先知预言性质的畅想,既然是畅想难免有疏漏,所以霍金也经常出现推翻或者修正自己之前理论的情况。

  - 霍金为什么伟大?-

  为什么霍金看上去要比很多已经得了诺贝尔奖的物理学家伟大和重要许多?我觉得有三个层面上意义。

  第一,是学术层面上的意义,霍金研究的领域,如果是一个没什么名气的普通的物理学教授想要去做这个方向的话,基本可以保证他是申请不到资金,估计连博士生也招不起,原因很简单,这种研究是没有什么实际意义的,企业不会出钱,美国政府尤其川普上台以后,对于这样没有实际用处,也不能增强军事实力的研究是不太支持的,当年克林顿上台之后就把本来美国要造的大型对撞机给停了,而且登月完之后,也不搞更多的太空探索了,还得让 Elon Musk 这样的民间人士来弄。欧洲政府也差不多,领导人的心思主要在选举,把钱花在这些没有实用意义的地方,估计纳税人不乐意。

  然而霍金这个方向,可以说还是人类追求绝对真理这个方向上的一盏明灯,一座灯塔,有这样的世界级超级巨星般的科学家在从事这样的领域,就代表人类对于绝对真理的追求没有停步。

  第二,是社会层面上的意义,老实说,绝大多数人对于霍金的认知,是因为他身残志坚。虽然身体残疾,但是没有放弃对真理的追求,大多数人是被他不屈不挠的精神所鼓舞。而且霍金的畅销科普书籍《时间简史》,也算是为科普出了很大的力,在全球销量据说破千万册,关于写科普霍金是很实在的,他表示因为要养娃,所以不得不靠写书赚取稿费。虽说《时间简史》写得具体怎样,见仁见智,但是从启发了一大批人对于物理的兴趣这个层面上来说,功不可没。霍金,加上之前的爱因斯坦以及费曼等人,他们让物理学变得很“cool”,吸引了更多的人投身科学,从对社会的正能量,激励以及影响了人们对于科学的兴趣层面说,霍金以及霍金的故事都极其伟大。要不然明星们也不会坐在第一排激动地热烈地鼓掌,as if 他们深谙霍金的科学成就一样。

  

  第三,是对真理探索层面的意义,其实现在的学术界,跟20世纪初的物理学全盛时期已经不一样了,当时搞学术的人少,去搞学术的基本也是真的为了热爱学术,现在不一样,现在的学术界和工业界也差不多,大量去读博士的人只是把读博士当个工作,每年为了毕业、评职称当教授的,凑字数的“垃圾论文”数不胜数,大部分这样的论文,仅仅是在现有的理论框架之下,去做的一些小小的推广和应用而已。这里的关键词是“理论框架”,真正大的科学上的进步,其实要的永远是“打破既定框架”。最早,日心说否定地心说,之后牛顿建立了力学体系,万有引力定律否定了天体运动是圆形,而是椭圆形进动,后来爱因斯坦相对论又推翻了牛顿的绝对时空观,近一点的,杨振宁李政道的宇称不守恒定律推翻的就是粒子物理之前觉得理所当然的宇称在弱相互作用下的对称性等。

  伟大的理论无一不是在推翻旧有的框架,而霍金在做的就是这样一件事情,在彻底的科学无人区持续探索,尽管这样的探索很有可能永远也不会给他更多的荣誉,但是其实你想想,在这样的打破旧有理论框架的新学术面前,诺贝尔奖又算得了什么呢?诺贝尔奖能概括相对论的重要性吗?明显不能。所以从这个意义上来讲,霍金的重要性,不完全是物理学上的,他更像是一个先知或者预言家一样的地位。

  - 霍金的学说到底有什么意义?-

  由于霍金的理论目前都没有办法被验证,而且有很多不够清晰的地方,因为缺乏实验数据的支持,不够清晰,自己推翻自己也是很正常的事情。所以单看物理学上的成就,霍金的物理学成就目前还不能与以往的物理学大师,如牛顿、麦克斯韦、普朗克、海森堡、爱因斯坦等人比肩,可能几百年后,实验方法跟上了,霍金的理论被验证了,那霍金应该可以进入物理学家的“名人堂”。

  相比之下,杨振宁已经获得的,被验证的物理学上的成就其实就目前看要比霍金重要许多。大多数人只知道杨振宁获得诺贝尔奖,可能知道一点杨振宁和李政道获奖的“宇称不守恒定律”,但是这不是杨振宁最重要的学术成就,杨振宁的“杨-密尔斯场”,才可以说是划时代的学术成就。

  之前说到的弱电统一理论和标准模型,把自然界中四种力当中的三种给统一了,其实用的就是杨振宁的“杨-密尔斯场”也叫“规范场”理论。

  总得来说,霍金的理论,启示意义更浓,但是是否能够被归类为伟大的物理学研究的成就,这个还需要时日去验证。

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