霍金对科学最伟大的贡献

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霍金对科学最伟大的贡献

 

数学物理学家和宇宙学家斯蒂芬·霍金最著名的工作是探索黑洞和量子物理之间的关系。

黑洞是一颗垂死的超大质量恒星落入自身的残余;这些残余收缩到极小,引力如此强大,以至于光也无法从它们中逃脱。

黑洞在大众的想象中隐约可见--一些人思考着为什么整个宇宙没有崩塌成一个整体。但是霍金细致的理论工作填补了物理学家关于黑洞知识中的一些漏洞。

黑洞为什么存在?

简单的答案是:因为引力存在,光速不是无限的。

想象你站在地球表面,以一个角度向空中射出一颗子弹。你的子弹会在更远的地方落下来。

假设你有一支非常强大的步枪。那么你或许能够以更快的速度射击子弹,而不是在稍远处就落下,而是“掠过”地球。不断坠落,并不断掠过地球表面,子弹实际上将在环绕地球的轨道上。

如果你的步枪更强,子弹可能会更快,完全离开地球的引力。例如,这基本上就是我们向火星发射火箭时所发生的情况。

现在想象一下引力要强得多。没有步枪可以加速子弹到足够离开那个星球,所以你决定发射光。

虽然光子(光的粒子)没有质量,但它们仍然受到重力的影响,就像子弹的轨道被引力弯曲一样。即使是最重的行星也不会有足够强的引力来弯曲光子的路径以阻止其逃逸。

 

 

但是黑洞不像行星或恒星,它们是恒星的残余,被包裹在最小的球体中,比如说半径只有几公里。

想象一下,你可以站在黑洞的表面,拿着你的射线枪。你以一个角度向上射击,注意到光线相反弯曲,下降,掠过表面!现在光线在黑洞周围的“轨道”上,距离大约是宇宙学家所称的史瓦西半径(Schwarzschild radius),即“不可返回点 ”。

因此,即使是光也无法从你所处的位置逃脱,你居住的物体(如果你可以的话)对从远处看它的人来说是完全黑色的:黑洞。

但是霍金发现黑洞并不完全是黑色的?

简短的回答是:是的。

我先前对黑洞的描述使用了经典物理学的语言--基本上,牛顿的理论应用于光。但是物理定律实际上更复杂,因为宇宙更复杂。

在经典物理学中,“真空”一词指的是完全没有任何形式的物质或辐射。

但在量子物理学中,真空要有趣得多,特别是当它靠近黑洞的时候。真空不是空的,而是充满了粒子-反粒子对,这些粒子-反粒子对是由真空的能量迅速产生的,但它们必须在不久后相互湮灭,并将它们的能量返回到真空中。

你会发现各种各样的粒子-反粒子对产生,而较重粒子的出现更为罕见。光子对是最容易产生的,因为它们没有质量。光子必须总是成对产生,这样它们就会彼此分离,而不会违反动量守恒定律。

 

 

现在想象一下,光子对在远离“最后光线”的黑洞中心的距离--史瓦西半径(Schwarzschild radius),被创建出来。这个距离可能离表面很远,也可能很近,这取决于黑洞的质量。

想象一下,光子对是被创造出来的,两个中的一个正向内指向你,在黑洞的中心,拿着你的射线枪。另一个光子指向外面。

现在有一个问题:在黑洞内移动的一个光子不能再出来,因为它已经以光速移动。

光子对不能再互相湮灭,并将它们的能量回馈给黑洞周围的真空。但是总得有人付出代价,这必须是黑洞本身。

在光子进入它的不归路之后,黑洞必须把它的一些质量归还给宇宙:根据爱因斯坦著名的等式E=mc2,它的质量与光子对“借来的”的能量完全相同。

这基本上就是霍金在数学上所展示的。离开黑洞视界的光子会使它看起来就像黑洞发出微弱的光:霍金辐射就是以他的名字命名。

同时,他推断,如果这种情况经常发生,在很长一段时间内,黑洞可能会失去大量的质量,以至于它可能完全消失(或者更准确地说,它再次变得可见)。

 

 

黑洞会让信息永远消失吗?

简短的回答是:不,那是违反规律的。

霍金发现辉光后不久,许多物理学家就开始担心这个问题。我们关心的是:物理学的基本定律保证了每一个过程“在时间上向前”,也可以发生在“时间的倒退”。

这似乎与我们的直觉背道而驰,即在地板上溅起的瓜不会神奇地重新组装。

但是,像瓜这样的大物体发生的事情实际上是由统计法则决定的。要使瓜重新组装起来,许多数量巨大的原子粒子必须向后做同样的事情,而这种可能性基本上为零。但是对于单个粒子来说,这根本不是问题。

因此,对于原子的事情,你观察到的一切都可能是向后发生的。

现在想象一下,你把两个光子中的一个射入黑洞。它们只有一个我们可以测量的标记,但这并不影响光子的能量(这被称为“极化”)。

让我们称这些为“左光子”或“右光子”。当左右光子穿过事件视界后,黑洞就会发生变化(现在它有了更多的能量),但是不管左光子还是右光子被吸收,它都会以同样的方式变化。


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