毫无疑问,霍金在科学方面做出的贡献已成为值得人们铭记的遗产。
2010年的斯蒂芬•霍金(网络图片,提供者弗雷德里克•布朗)
著名物理学家斯蒂芬•霍金成功挑战了引力的极限,大大深化了我们对黑洞、宇宙学和量子引力的理解。并且,他在科普方面的贡献又吸引着后人不断巩固和发扬他的研究成果。
霍金在上个世纪60年代开始了他的研究生涯,但是没过多久就确诊了肌肉萎缩症,从此他的人生不得不坐在轮椅上。同时由于丧失了正常发声能力,改为依赖技术实现交流沟通。虽然我们很难对霍金40余年学术生涯中发表的200多篇论文进行简单的概括,但是很明显,他最喜欢研究的是“极端条件下的引力性质”。
这起始于对奇点本质的研究。霍金利用了数学和物理学家罗杰•彭罗斯证实广义相对论中奇点存在的研究成果,将其扩展到整个宇宙层面。霍金证实了在宇宙演化模型中,大爆炸起始于一个具有无限密度的奇点。
之后,霍金开始对黑洞进行深入的研究,于是他得到了那个惊人的结论 – 黑洞不黑!通过把广义相对论和量子力学进行结合,霍金发现黑洞对外存在辐射,这意味着黑洞最终将会蒸发和消失。
人类对黑洞的第一张实拍图像,图片来自网络
霍金对这个观点进行扩展,形成了一套有关黑洞的热力学定律(和普通的热力学定律类似,但是仅适用于黑洞),其揭示了热量、能量和熵的本质与引力本质之间存在深刻的联系。
在宇宙学领域,霍金大大加深了我们对宇宙膨胀机制的理解。虽然阿兰•古斯最先提出“早期宇宙经历一段快速膨胀时期”的观点,但是霍金完善和丰富了这个理论,使其成为难以推翻的重要宇宙学理论。
除了宇宙膨胀机制,霍金在宇宙大爆炸早期行为研究方面也花了大量时间,他对于“起点”非常感兴趣 – 宇宙是否有起点?这个问题本身是否有意义?从量子力学角度对此问题会如何看待?
虫洞的艺术想象图,图片来自网络
引力源于时间和空间,霍金花费了很多年去研究时间、空间和量子力学之间的深层关系,他在虫洞(时空的“捷径”)研究方面花了很多精力,试图从物理学角度探索其可能性。当他意识到虫洞有可能被人们当作时光机使用时,于是提出了时序保护假说,即由于过去的事件已经发生且不可改变,因此回到过去的时间旅行是被禁止的。
2006年斯蒂芬•霍金的照片(图片来自网络)
和他的很多同事不同,霍金并不热衷于研究物理学的大一统理论(能够解释一切物理学现象的一系列物理学方程)。尽管他在弦论方面有所涉猎,而弦论也确实是物理学大一统理论具有前景的候选者,但是霍金的研究重点始终在引力方面。
霍金虽然不直接研究大一统理论,但他从量子角度对引力所做的研究却对大一统理论产生了深远影响。例如,当今的任何大一统理论都必须能够解释霍金辐射之谜,又或者膨胀宇宙的平滑特点等。霍金的工作为量子力学和引力的统一打开了空间,至今科学家们仍在此领域努力耕耘。
我们可以从诺贝尔奖的角度来观察霍金所做工作的重要性。2019年诺贝尔物理学奖用来奖励“推动了我们对宇宙演化和地球与宇宙关系的理解”的科学家,詹姆斯•皮伯斯是其中一位,因其在宇宙物理学方面的理论发现而获奖。而霍金在2018年去世,若非如此,他很可能分享当年的诺贝尔奖。
霍金与罗杰·彭罗斯,二人既是好友,也是科研道路上的合作者(图片来自网络)
2025年诺贝尔物理学奖的其中一位获奖者是罗杰·彭罗斯,因为其在“广义相对论令人信服的预测了黑洞的形成”方面所做的贡献。霍金在这方面同样是一个有力的竞争者,因其在黑洞本质方面所做的杰出贡献。
霍金与诺贝尔奖这两次擦肩而过的经历,已经证明了其成就是罕有匹敌的。
霍金不但在科学方面做出了惊人的贡献,还是一位富有成果的科普工作者。他在1988年出版的《时间简史》一炮打响,这本书让很多人第一次了解到量子力学、引力和宇宙学。霍金本人也成为了一个文化符号,几乎所有人都能认出他的相貌和那经过计算机处理后输出的声音。
毫无疑问,霍金的所有这些贡献让他成为一位值得人们铭记的杰出科学家。
BY:Paul Sutter
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