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科学网霍金为何不朽

2018-08-08 11:50编辑:igtpro.com人气:


施郁 (复旦大学物理学系)

 

斯蒂芬•霍金的科普著作《时间简史》幽默地介绍,牛顿出生于伽利略去世之年,而霍金出生于伽利略去世日(194218日,伽利略去世整整300年忌日),拥有牛顿曾经担任过的剑桥大学卢卡逊讲席教授之职,被广泛认为是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。显然霍金以这些为荣。不知道霍金在弥留之际,有没有幽默地想起,他去世于爱因斯坦的139岁生日(314日)。如果他想到,大概会有点小得意吧。

 

霍金是经过从伽利略到牛顿,再到爱因斯坦几次升级的引力物理学的杰出传人。他对广义相对论和宇宙学作出了巨大的贡献。虽然很难说霍金是“爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家”,但可以说是最杰出之一。“理论物理”的含义有时并不明确。比如霍金曾经作过一个演讲,题目是“理论物理的末日是否已经到来”,这里的“理论物理”特指广义相对论与量子力学的统一。如果说他是爱因斯坦之后最著名的科学家,那应该没问题。

 

1962年,牛津大学的本科生霍金知道自己只对理论感兴趣后,在理论粒子物理和宇宙学之间选择了后者。因为他觉得粒子物理像植物学,只有粒子,没有理论,而宇宙学有一个很好的理论(广义相对论)。这只是反映了他当时作为学生的品位。其实粒子物理当时正在建立标准模型的过程中,“没有理论”也正是一个机会。不过霍金幸运的是,当时宇宙学和天体物理也正要大发展。牛津没有宇宙学家,剑桥有著名的霍伊尔教授。所以霍金申请剑桥,得到有条件的录取,需要毕业等第达到一等。结果他跟牛津的面试老师说,如果他得到一等,就去剑桥,否则继续待在牛津。这种风格后来在霍金的演讲和打赌中经常表现出来。

 

20岁的霍金虽然拿到一等毕业等第来到剑桥,但是并没有如愿成为霍伊尔的学生,因为霍伊尔有太多学生,又是大忙人,经常要去美国的天文台。霍金被分配给他没有听说过的西阿玛讲师。这是霍金的幸运。一方面,与名人霍伊尔教授相反,西阿玛讲师总是待在学校,随时为学生提供各种帮助,让学生自由成长。还有另一方面的幸运。当时稳恒态宇宙学(认为宇宙一直存在)和大爆炸宇宙学(认为宇宙起源于一次大爆炸)还没有分出胜负,霍伊尔正是是稳恒态宇宙学的头面人物,在一次BBC广播节目中,他以讽刺的口吻起了“大爆炸宇宙学”这个名字。而西阿玛对两种理论没有偏好,对大爆炸宇宙学没有偏见。导师的这种态度显然也是很重要的。霍金的这个经历值得年轻学生们参考。  

 

霍金刚过完21岁生日就被诊断出肌肉萎缩性侧索硬化症,又叫运动神经细胞症、卢伽雷氏症,俗称渐冻症。霍金经历了一阵低沉,沉醉于瓦格纳的歌剧。后来在父亲的建议下, pk10,回剑桥继续学业。在剑桥火车站遇到了原来有点认识的简瓦尔德。两人相恋,这给了霍金支撑。

 

霍金的研究工作也逐渐有了起色。给霍伊尔及其学生的一个理论做修正成为他的第一个工作。当时在伦敦伯贝克学院任教的彭罗斯在很宽泛的条件下证明,引力塌缩中,普遍存在奇点(密度与时空曲率无穷大的点,从而广义相对论失效)。霍金将此用到宇宙膨胀中,证明宇宙膨胀开始于一个奇点。这成为他的博士论文的另一部分。

 

1965年,大爆炸宇宙学基本上已经战胜了稳恒态宇宙学,西阿玛和他的学生选择了大爆炸阵营,霍金因为没有做霍伊尔的学生而庆幸。夏天,霍金博士毕业,被录取为李约瑟任院长的剑桥GonvilleCaius学院的研究员(剑桥的一种职位,学院提供薪水,在系里做研究,相当于没有固定导师的博士后),并与简结婚,后来有了3个孩子。笔者剑桥工作期间,曾经去一朋友家作客,得知那套住房曾经是新婚的霍金夫妇租住的房子。

 

霍金在同行中逐步有了名气。他与彭罗斯证明,在广义相对论描述的一大类弗里德曼宇宙学模型中,奇点不可避免, pk10,所以在经典理论中,宇宙大爆炸起源于奇点。然后他转而研究黑洞。霍金证明爱因斯坦方程的具有平滑视界的定态解必须是轴对称的。1970年,霍金提出黑洞视界面积不减定理,也就是说黑洞的视界面积不会减小(视界是指黑洞外的一个边界,在此之内,任何东西都不可能越过到此边界外)。接着以此为第二定律,与巴丁(James Bardeen)和卡特(Brandon Carter)提出黑洞动力学四定律,表明黑洞视界面积与热力学熵的类似。霍金还与卡特、以色列(Werner Israel)和罗宾孙(David C. Robinson)在某些前提条件下证明了惠勒(John Wheeler)猜想的“黑洞无发定理”:黑洞只需要由质量、电荷和转动角动量描述。这些都是霍金对经典引力理论的杰出贡献。1973年,霍金与同学George Ellis合作出版专著《时空大尺度结构》。

   

(来源:新浪体育网)

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