时间简史,黑洞理论研商简史

2019-07-08 22:48栏目:奥门新萄京娱乐场
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奥本海默的工作

1939年,年轻的奥本海默根据广义相对论证明了:一个无压力的球体在自身的引力作用下坍缩到史瓦西半径的时候,如果这时候球体的质量比临界质量大,那么引力坍缩之后就不可能达到任何稳定的状态,只能形成黑洞

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用更简单的话说就是:如果球体坍缩到史瓦西半径以下(视界以内),就不再有任何其它的力能够跟引力相抗衡,球体除了继续一直坍缩没有任何其它的出路。

奥本海默和斯尼德还用广义相对论精确的研究了一个理想球形、无自转、无辐射的恒星的坍缩过程,他们通过精确的数学计算得到的公式给我们描述了这样一幅图景:在远离恒星的地方观看恒星的坍缩,我们会看到恒星坍缩到视界的时候就会完全冻结,如果站在恒星表面观察,会看到坍缩迅速通过视界,然后迅速坍缩

这个结论是从广义相对论推算出来的,但是当时绝大部分的物理学家都拒绝相信这种结果,大部分人觉得在如此强的引力面前广义相对论未必有效,而且就算有效奥本海默的解释也未必正确。本来,出现这种事都是非常正常的,物理学家们对于接受一个理论一个结论都是非常谨慎的,但是只要有出现了这种情况,大家坐下来好好分析讨论一下,一般很快都会达成新的共识。

但关键是那会儿是1939年,是第二次世界大战爆发的前夕了,而我们都知道奥本海默是曼哈顿计划的负责人。所以,这些物理学家们马上就没空研究黑洞,而必须去研究核武器去了。

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奇点定理

我们先来说说,霍金教授和彭罗斯教授证明的奇点定理是什么。

在二十世纪以前,人们一直默认宇宙是静止的,即使牛顿的万有引力定律已经说明,不同的物体之间会相互吸引,但是人们还是发明出了各种各样的方法,来维护宇宙静止的设想,甚至连大神爱因斯坦,都在这个问题上栽了跟头。

爱因斯坦在1915年发表了广义相对论,提出时空是可以弯曲的,根据爱因斯坦的方程,宇宙并不是静止的,但爱因斯坦认为,这肯定是因为有什么地方弄错了。所以爱因斯坦在他的方程里,强行添加了一个“宇宙常数”,这样一来,根据修改后的方程来看,宇宙就变成静止的了。

但是在二十世纪二十年代,科学家在观察其它恒星的时候发现,很多恒星,都发生了一种叫做“红移”的现象,意思就是说这些恒星都正在远离地球,本来人们认为,这些恒星的运动是随机的,也就是说有些恒星离我们越来越远,但也有些恒星离我们越来越近。

可到了1929年,美国天文学家哈勃(就是名字用来命名哈勃望远镜的那个哈勃)发现,绝大多数恒星,都是在远离地球的,而且这些恒星离地球越远,他们远离地球的速度也就越快。

这说明什么呢?我给大家举个例子:

假如你拿一个气球,在气球表面的不同地方用水彩笔画上几个点,接着给这个气球吹气,随着气球越吹越大,你画的那几个点之间的距离,就会越来越远,而且两个点离的越远,它们之间相互远离的速度就会越快。

这个气球,其实就相当于我们的宇宙,气球上的点,就相当于地球和其它恒星,绝大多数恒星都是离地球越来越远,这就说明啊,我们的宇宙正在不断膨胀。

爱因斯坦在得知这个观测结果之后才发现,自己强行给方程加进去的那个宇宙常数,完全就是多余的,宇宙不是静止的,而的确就是在膨胀的,所以爱因斯坦后来说:“宇宙常数,是我一生中犯下的最大的错误”。

在发现了宇宙膨胀之后,科学家们,就以爱因斯坦的广义相对论为基础,找出了一个新的模型,来描述这个膨胀的宇宙,这就是弗里德曼宇宙模型。

科学家们发现,在弗里德曼宇宙模型中,如果把时间往前推,宇宙就会收缩,如果一直倒推到150亿年前,所有的星系之间的距离,就会变成0,就好像是整个宇宙,被紧紧的挤压成了一个点。

这个点,就被称为奇点。它就是,宇宙时空的开端。

奇点的性质非常特别,我们很难直观地去想象这是个什么东西,但是通过数学计算我们可以知道,奇点的体积无限小,弯曲程度无限大,密度无限大,引力也是无限大的。

这里有很多的无限小无限大,但是数学,其实是没有办法真的处理无限小和无限大的计算的,这就意味着,虽然弗里德曼宇宙模型是根据广义相对论提出的,但是包括广义相对论在内的所有物理理论,在奇点这个地方,都失效了。

所以霍金教授说,奇点的出现,证明了广义相对论,也只是一个不完全的理论。因为在宇宙最开始的那一刻,它就失效了。

明白了奇点是什么,我们来看看霍金教授在这个研究过程中,做出了怎样的贡献?他,又是怎样看待奇点的呢?

在奇点这个理论刚被提出来的时候,并不是所有的物理学家都认同这个说法,据霍金教授说,爱因斯坦自己,都不太相信这个说法,爱因斯坦认为,如果我们把时间一直往前推,不同的星系也不会碰撞到一起,而是会恰好错开。

但是霍金教授在读到了彭罗斯教授的一些相关研究的时候意识到,奇点理论应该是成立的。

经过几年的努力,霍金教授和彭罗斯教授一起,用严谨的数学方法证明,如果广义相对论是正确的,而宇宙中确实有我们观测到的那么多恒星,星系等物质,那么宇宙在很久以前,一定是诞生于一个奇点之中。这个奇点,就是宇宙的开端。

这个理论,现在被称为彭罗斯—霍金奇点定理。

有很多人一开始不愿意接受霍金教授的这个研究结论,因为他们不喜欢宇宙有一个开端的说法,还有的人认为,这个结论违反了科学决定论,糟蹋了完美的广义相对论,但是没办法,因为霍金教授并不是信口开河,他是脚踏实地,用数学计算,证明出这个结果的,数学不会骗人,而人也不能跟数学定律辩论。

所以现在,不管是喜欢还是不喜欢,几乎所有的物理学家都承认,我们的宇宙,的确是诞生在一个奇点之中的。

我们复习一下,前面讲的是霍金教授和彭罗斯教授证明的奇点定理是什么。

在二十世纪之前,人们都认为宇宙是静止的,直到科学家发现,绝大多数恒星都在远离地球而去,人们才意识到宇宙是在持续膨胀的。科学家们在研究膨胀的宇宙模型的时候发现,在150亿年前,所有的星系之间的距离都是0,宇宙在当时是一个体积无限小,弯曲度,密度,引力无限大的奇点,霍金教授和彭罗斯教授的贡献就在于,他们用严谨的数学方法,证明了,如果广义相对论是正确的,那么宇宙就必然诞生于这样一个奇点。这就是,宇宙的开端。

结语

黄金年代之后,黑洞这边的场子就慢慢的散了,物理学家们又去倒腾其他的事情去了,比如去扎堆超弦理论。

为什么大家都撤了呢?是因为黑洞的问题都已经研究透了么?

当然不是,即便有了黄金年代那些新的成果,对黑洞的研究依然还只是皮毛,更不要说奇点那个终极大BOSS了。但是大家发现,以现在的这种理论水平,似乎对黑洞能研究的已经研究了,没研究的也研究不了,工具不行,干瞪眼也没用。

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或许广义相对论只能帮我们到这了。我们对广义相对论和量子力学的认识还不够,还无法将它们深度融合起来,要想更深层次的认识黑洞就必须要对重新打磨新的工具,而超弦理论就号称是能够融合广义相对论和量子力学,能够统一所有基本力的屠龙刀。但是现在看起来,这把超弦这把刀还只是半成品,甚至连半成品都算不上,最终是屠龙刀还是杀猪刀就不得而知了。

但是,物理学家们有选择么?是骡子是马还得拉出来溜溜才知道,超弦是屠龙刀还是杀猪刀也得自己去试试才知道,而且超弦这样的热门理论起码全世界都还有人交流,不是谁都有爱因斯坦那样的能力,一个人从一片丛林杀出一片天地的。

原本不是打算写这样一篇简史的,手一滑就这样了~

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首先是霍金教授和彭罗斯教授一起,证明了著名的奇点定理,这个理论跟广义相对论和宇宙膨胀有关;

黄金年代

二战和冷战耗费了太多物理学家的精力,直到六七十年代才迎来黑洞研究的黄金时代,在这个时代有我们熟悉的霍金和彭罗斯。

许多人对黑洞的认识仅仅停留在:黑洞是一个密度大到光也无法逃出去的物体,黑洞里面有一个密度无穷大的奇点,这个奇点让物理定律都失效了

上面两篇文章我也说过要真的解开奇点之谜需要用来融合量子力学和广义相对论的量子引力,要直接面对这样的奇点是在是太困难了。

但是,如果我们不是直面奇点,而是去研究一下黑洞其他方面的性质呢?比如视界,比如辐射。

黄金年代的物理学家们在这边就探索出了一些很有意思东西。

首先,大家群策群力发现了黑洞是无毛的:不管坍缩前的黑洞有没有磁场,有没有不规则的凸起,最终都会形成一个理想球形无磁化的黑洞

然后,彭罗斯和霍金证明了一个奇点定理(凡是黑洞必定存在一个奇点),而且彭罗斯还根据自己的直觉认为不可能存在裸奇点,也就是说所有的奇点都一定被视界包围着。但是他无法证明,所以他只能把这个称之为宇宙监督猜想

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接下来,霍金先是发现了面积定理(两个黑洞融合成一个大黑洞的时候,新黑洞的视界面积一定大于原来两个面积之和),然后证明了霍金辐射,指出黑洞不是不是只会吃东西,它也会蒸发辐射,会变小,这个发现大大改变了人们对黑洞的认知。

最后,上面这些定理里经常出现霍金和彭罗斯这两个英国人的名字,大家不要觉得好像黑洞的重要工作都是英国人完成的。比如著名的霍金辐射,以霍金的名字命名是因为这个定理是霍金证明的,但是这个思想确实苏联的物理学家泽尔多维奇提出来的,霍金只是用数学的手段证明了他的想法,当然,这个证明过程当然也十分重要。

英国的大学在本科的时候主要学习数学,到了博士研究的时候才再数学和物理里面选,而美国的大学在本科的时候就可以选择物理。这样造成的结果就是,英国的物理学家的数学水平比美国苏联的要好(所以能完成那么多证明),但是在物理的直觉,对物理实质的把握上就要差一些。

最后是霍金教授证明了黑洞也可以发出辐射,这种辐射就被称为霍金辐射。

比如太阳的史瓦西半径为3千米,地球的为9毫米。如果我们把太阳的半径压缩到3千米以下,太阳就会变成一个黑洞;如果把地球的半径压缩到9毫以下,地球也会变成了一个黑洞。

接下来是霍金教授提出了无边界的宇宙模型,认为宇宙没有边界,也没有起始和终结,这是对上帝的一次挑战;

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《时间简史》这本书并不是很厚,只有200多页,十几万字,但是书中涵盖的内容,是非常广泛的,从相对论到量子力学,从宇宙膨胀到基本粒子,从黑洞到虫洞,霍金教授都进行了介绍。所以看完这本书,你对我们的世界和宇宙,会有更多更深层次的了解。

1915年,爱因斯坦给出了引力场方程的最终形式,这正式宣告了广义相对论的诞生。

这些年,出现了很多叫《什么什么简史》的书,比如说《万物简史》,《人类简史》,《未来简史》之类的,而霍金教授的《时间简史》,就是开创了这个命名方法的先河。

作为一个天才天文学家,史瓦西非常清楚新生的广义相对论的引力场方程对天文学家来说意味着什么,他怀着极大的热情迅速完成了这些工作,并且得到了爱因斯坦的极大赞赏,他的这些工作也标志着现代黑洞理论研究的开始。

无边界宇宙模型

我们说证明奇点定理,是霍金教授最大的科学贡献之一,但是后来,霍金教授又改变了自己的想法,提出了无边界宇宙模型,认为宇宙并不需要诞生在奇点之中。

所以接下来,我们来看看,霍金教授提出的无边界宇宙模型,有什么特别之处呢?

在前面我们说到,霍金教授和彭罗斯教授证明了奇点定理,之后几乎所有的物理学家都承认,我们的宇宙,是诞生在一个奇点之中的,宇宙诞生的那一刻,被称为大爆炸!

宇宙大爆炸理论,是目前最主流的,描述宇宙起源的模型。我们现在来看一下,宇宙大爆炸模型,对宇宙起源时刻的描述——

大爆炸的那一刻,宇宙的体积是0,温度无限高,之后宇宙开始迅速膨胀,温度开始降低;

在大爆炸一秒钟之后,宇宙的温度降低到了100亿度,这大概是氢弹爆炸时能达到的最高温度;

在大爆炸一百秒之后,宇宙温度继续降低到10亿度,质子和中子开始结合在一起,组成原子核;

之后,宇宙的温度继续降低,持续膨胀,在一百万年后,宇宙温度降低到了几千度,原子开始形成;

随着宇宙温度继续降低,恒星,星系这些物质开始形成;

到了150亿年后的现在,宇宙已经膨胀了很多很多倍,温度也已经很低了。

现在的宇宙温度,只比绝对零度高一点点了,但是宇宙的各个地方,还是残留着当时大爆炸的能量,而且我们还可以观测到,科学家们叫它微波背景辐射,就好像是充满了宇宙的背景噪音。

宇宙大爆炸理论,虽然听起来很玄乎,似乎有点不可思议,但是是和我们今天的观测证据相符合的,所以呢,已经被物理学家们广泛接受了。

但是这个理论,还是让不少物理学家们有点儿尴尬,你看,从我前面的描述中,你能够感觉到,大爆炸是宇宙的奇点,那么,宇宙中一切的物质,甚至是空间和时间,都是大爆炸以后才出现的,大爆炸之前的任何事件,对我们来说都没有任何意义,或者说根本就不存在,也就是说宇宙时空并不是无限的,而是有一个很特别的边界和开端,这个开端,就是大爆炸奇点。

但问题是,就像我们在前面讲到的那样,大爆炸奇点是一个非常特别的存在,在这里,所有的物理定律都失效了,人们根本不知道从这个奇点里,会冒出些什么东西,那么,宇宙现在所遵循的那些规律,到底是怎么出现的呢?是谁规定了这些规律呢?

难道,真的是上帝吗?

由于这个问题,目前科学家们还没有很好地解释,所以也就给宗教界保留了一丝希望。

霍金教授回忆,1981年的时候,教皇邀请了很多科学家,召开了一场宇宙学会议,在科学家们演讲结束后,教皇说,大爆炸以后的各种历史,各种规律,你们都是可以研究的,但是大爆炸的那一刻,你们科学家就不要研究了,因为那是万物诞生的时刻,那是上帝的事。

霍金教授也在这次会议上发表了演讲,演讲的主题,就是无边界宇宙模型,霍金教授在听到了教皇的话以后,就在心里嘀咕,“看来教皇没听懂我讲的内容啊!”

因为此时,霍金教授提出的无边界宇宙模型也就意味着,宇宙没有开端,也没有诞生的时刻,所以,也就根本没有上帝的位置。

霍金教授为什么这么说呢?

我们来看看无边界宇宙模型是怎么回事儿。

我们之前在提到奇点定理,和宇宙大爆炸模型的时候一直有一个前提,那就是——广义相对论是正确的。

但这个前提,其实未必站得住脚,这并不是说广义相对论错了,而是说,它是一个,不完全的理论,没有和量子力学结合起来。

在二十世纪,物理学最重要的两大发现,也是当今物理学中最基础的两大理论,就是相对论和量子论。

一般来说,相对论管的是宏观领域,比如星系运动什么的,而量子力学管的是微观领域,比如说粒子运动的问题,在研究一般理论的时候,这两套体系是井水不犯河水。

但霍金教授认为,在研究大爆炸奇点的时候,就必须要把相对论和量子力学结合起来了,他认为,奇点定理已经说明了,在大爆炸奇点这种极端情况下,广义相对论已经不能很好地描述宇宙了,在这时候,就必须要考虑到量子效应。

在广义相对论的基础上,宇宙只有两种可能,要么就有无限长的时间,要么就有一个大爆炸奇点这样的开端,但是,如果把量子力学引进来之后,就会出现一种新的可能,也就是一个有限无界的宇宙。

有限无界的意思是,宇宙时空是有限大的,但是却没有边界。听着是不是有点儿晕?还有点儿自相矛盾?我给你举个例子你就很容易明白了:

我们用地球来做一个类比,我们的地球,就是一个有限大的星球,我们知道它的直径和大小,但是,地球是没有边界和开端的,如果你在地球上一直走一直走,是永远不可能走到一个地球的边界的,更不可能掉到地球外面去。所以地球,就是个有限无界的星球。

霍金教授的无边界宇宙模型,就是一个空间和时间交织在一起的四维宇宙,在这个宇宙中,时空就像是地球的表面,在范围上是有限的,但是却没有形成边界,也没有形成奇点,时空上的每一个点,就像地球上的某个点一样,没什么特别,科学规律在任何一个时空点上都适用,不会发生失效和崩溃。

在无边界宇宙模型中,宇宙没有一个特别的奇点,也就不需要上帝来指定一个特殊的规律,按霍金教授的说法就是,这个宇宙是完全自给自足的,不会受任何外在事物的影响,没有什么创生和消失的时刻,这样一来,这个宇宙,也就不需要上帝来创造它了。

需要注意的是,霍金教授自己也反复强调,无边界宇宙模型,目前还只是一个设想,相当于是他的一家之言,目前主流的宇宙模型,仍然是大爆炸模型。

当然了,无边界宇宙模型也不是信口开河,它是希望把相对论和量子力学结合起来的一种尝试,而且也是可以被检验的科学理论。

我们复习一下,前面我们介绍了霍金教授的无边界宇宙模型,讲述了它的特殊之处。
在主流的宇宙大爆炸模型中,宇宙有一个开端,这个开端,就是大爆炸奇点。但是,对于大爆炸那一刻所发生的一切,科学还没有很好的解释,这也给上帝留下了一个位置,而霍金教授在无边界宇宙模型中,把相对论和量子力学结合了起来,认为我们的宇宙时空是范围有限,但是没有边界的,因此,也就没有奇点和开端,不需要上帝来创生。无边界宇宙模型目前不是主流,但是它是一个可以被检验的科学理论。

1916年,史瓦西给出了广义相对论的第一个严格解,这个解描述了一种最简单的天体(静止、不带电、球对称的天体)周围的时空弯曲情况。然后,史瓦西发现所有的星体都存在一个史瓦西半径,如果星体的实际半径比它的史瓦西半径要小,那么它就会变成一个黑洞

这篇书评解读的,是世界科学著作的里程碑,霍金教授的《时间简史》(A brief history of time, Stephen Hawking)。

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