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除了《光阴简史》,关于霍金您还应该晓得这些!

日期:2020-10-17 20:21:47 人气:885
起源:中科院物理所微信公家号 图 1 霍金的照片,摄于2006年5月   3月14日,英国有名物理学家史蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)在家中去世,享年76岁。   提到霍金,您们往往会想起他标记性的轮椅,以及那本滞销寰球的《光阴简史》。但是说起他的本职工作——物理学家,除了专业人士,生怕良多人都没有明白他在迷信上毕竟做出了怎么的奉献。   记得霍金曾经在他的书中说到过,因为他身材的缺陷,他不太多的精神去学习某一实际学科的详细常识,因而他尽量防止从事的详细、繁杂的实际问题的研讨,而是不断在做宇宙学跟 黑洞、量子引力等方面的形象的实践研讨。   那么霍金毕竟有哪些首要的科研结果?对于物理学的开展起到了怎么的作用?且听小编娓娓道来。   奇性定理 图 2 大爆炸宇宙模型   1922年,弗里德曼(Friedmann)提出的宇宙学模型以为宇宙来源于一个奇点,称为大爆炸奇点(big bang singularity),这一点宇宙的密度将是无量大,也被称为宇宙的原初奇怪性。   1931年,天文学家钱德拉塞卡(Chandrasekhar)在推出白矮星的品质极限之后认识到大品质恒星的暮年运气有待进一步推测,但另一位天文学家爱丁顿(Eddington)却决然毅然否定黑洞(包含时空奇点)具有。   1933年,奥本海默(Oppenheimer)等人把钱德拉塞卡的工作推广到中子星,指出品质足够大的球对于称的恒星演化到晚期,因为中子简并压无奈抗拒引力收缩,必然会无限收缩致使于坍缩到密度无量大的一个时空奇点,稍后便给出了实质上是第一个描述黑洞构成的准确解。   惋惜那时,包含爱因斯坦(Einstein)在内的许多物理学家们都没有信任这些时空奇点会真正地具有于咱们真实的宇宙中。他们以为:黑洞的奇点是恒星模型理想的球对于称坍缩所致,而宇宙原初的奇点是宇宙模型的平均跟 各向同性所致,但真实的恒星跟 宇宙都没有可能有像模型中那样准确的对于称性,因而时空奇点在真实的世界里也没有会具有。   但是霍金跟 彭罗斯(Penrose)在1965—1970年通过形象的推理证实,以独辟蹊径的研讨标明,即便没有须要对于称性的假定,大品质恒星晚期坍缩构成的黑洞跟 宇宙原初的奇怪性在必定前提下都是没有可防止的(具体内容可见Hawking&Penrose(1970) 的论文[5])。[1]   艰深来讲,奇性定理就是说,只需知足引力特殊强、能量前提、因果前提等前提,黑洞是能够具有于咱们的真实世界的,宇宙也能够诞生于一个奇点,没有再只是纯理想的模型。 图 3 没有同品质恒星演化的运气,大品质的恒星终极会坍缩构成黑洞(位于图中右下角,所画的是黑洞的吸积盘跟 喷流)   近年来大批的天文观测也发觉了许多的黑洞,尤其是引力波的胜利探测更是直接探测到许多双黑洞的信号(如GW150914),都无疑支撑了黑洞的具有;同时也有许多天文的观测证据(好比宇宙微波配景辐射、宇宙元素丰度的预言等)支撑了大爆炸宇宙模型的预言。大爆炸宇宙模型目前仍是咱们宇宙学的尺度模型。   假如不奇性定理,这些模型永远只能是理想模型,无奈与事实接轨。 图 4  模仿出来的黑洞视图(图正中央)   黑洞热力学   1972年霍金与Bardeen及Carter配合写了一篇关于黑洞力学(black hole mechanics)的论文,他们指出一个黑洞的力学性质能够用两个物理量来描写:黑洞视界的面积跟 视界名义的引力(surface gravity),这两个量分手相似于热力学中的熵跟 温度,因而也能够定义黑洞的熵跟 温度。基于这品种似性,他们给出了相应于热力学四大定律的黑洞力学的四大定律[1],其中包含霍金在1971年颁发的黑洞边界面积没有减定理(也被称为霍金定理,也是黑洞力学的第二定律),其中黑洞的边界就是黑洞的事情视界(event horizon)(简称视界)。   因为黑洞的引力之强,它会一直从外界吸收物资到它的视界面内,而视界面里面的物资却无奈逃脱(霍金辐射例外,后续会先容),因而黑洞就像一条只进没有出的“贪吃蛇”,跟着光阴的演化,它的品质会越来越大,相应的视界面的面积也会越来越大而涓滴没有减。   举个例子,好比对于于最简略的球对于称的史瓦西(Schwarzschild)黑洞,它的视界面就是一个球面,面积正比于史瓦西半径的平方,也就正比于黑洞品质的平方。因而黑洞的品质只增没有减,它的视界面积也是只增没有减。这必定理与热力学的第二定律——熵增原理长短常相似的!再举个例子,好比两个小的黑洞能够合并成一个大的黑洞,而大的黑洞的视界面积会比之前的两个小黑洞的视界面积之跟 还大,反之,一个大的黑洞没有会主动地酿成两个小的黑洞。   须要阐明的是,这是经典的黑洞热力学,只用到狭义绝对论,暂时没有须要用到量子实践。   引力波探测也同样探测到许多例这样的双黑洞并合事情,它们是合乎实践计算预期的。 图 5 双黑洞的艺术想象图(图片来自LIGO官网)   霍金辐射   众所周知,狭义绝对论以弯曲的时空取代了引力的具有。在狭义绝对论问世之后,人们开展出以弯曲时空为配景的“弯曲时空量子场论”。   1973年霍金在弯曲时空量子场论的研讨中发觉本来“黑洞没有黑”!底本经典的实践上“爱财如命”的黑洞在黑洞量子力学中也能够通过必定的机制发射黑体辐射,这就是霍金辐射!   他指出,黑洞视界邻近的引力场仿佛一个势垒,依据量子隧穿效应,黑洞内部的粒子是有必定的概率穿出这个势垒,构成粒子的发射。当视界邻近的引力场足够强的时分,量子场论中的真空极化效应能够从真空中由能量转化为物资,发生一对于正反粒子。   霍金计算标明,这一对于正反粒子终极的运气很可能是反粒子落入黑洞而正粒子跑出来,真空涨落总的成果是黑洞一直向外发射正粒子,这些粒子能量来自于黑洞的品质减小。当然品质的减小也会招致黑洞视界面积的减小,这就违反黑洞边界的面积没有减定理,但从整体来看,这些辐射出去的粒子也携带有熵,将弥补黑洞熵的减小,不违背熵增原理。[2]
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