專業解析:霍金的學術貢獻歷程-輪椅上的宇宙:紀念霍金-新聞專題...

2020-12-03 科學網

陳平、趙崢:【霍金給人類帶來什麼信息?悼念傳奇物理學家霍金】

奇點疑難:幸遇彭若斯

霍金對彭若斯提出的奇點定理問題很感興趣,他的博士論文的第一部分是寫穩恆態宇宙模型的錯誤,第二部分就是對奇點定理給出了另外的證明。當時彭羅斯已經給出了第一個證明,是針對星體塌縮成黑洞的情況。霍金又給出了另外一個證明,是針對大爆炸宇宙的初始情況。

霍金自己的第一個工作就是對奇點定理做出了貢獻。 他的第二個工作是黑洞面積定理,他認為黑洞的表面積隨著時間前進只能增加不能減少。第三個重要工作,也是他一生當中最重要的工作就是證明了黑洞有熱輻射,也就是霍金輻射。
 

面積定理的啟示:黑洞熱嗎

霍金、彭羅斯的奇點定理指出,一個合理的物理時空一定有時間的開始或者結束。

 我們現在來看霍金的第二個貢獻:面積定理,霍金用微分幾何證明了黑洞的表面積隨著時間只能增大不能減小。

當時美國有一個二十幾歲的研究生叫貝肯斯坦,他覺得黑洞的表面積只能增加不能減小,很像物理學當中的「熵」啊 !黑洞的表面積會不會是熵啊!於是他在導師惠勒的支持下,提出黑洞的表面積可能是熵,而且他得到了一個公式,這個公式叫貝肯斯坦公式。

爭論:真熱還是假熱?

霍金對貝肯斯坦這個工作很不以為然,覺得貝肯斯坦完全曲解了自己的意思:我的面積定理是用微分幾何和廣義相對論證出來的,根本沒有用到熱力學和統計物理,怎麼會有熱呢,不可能有熱。而且,一旦黑洞有溫度,就應該有熱輻射。黑洞是個只進不出的天體,怎麼可能輻射出東西來呢?所以他在1973年的一次暑期學術研討會上,就跟另外兩個專家(卡特和巴丁),三個人合寫了一篇論文,用嚴格的微分幾何重新推導了貝肯斯坦的公式, 說這個公式本身並沒有錯,但是它不是真正的熱力學公式。它裡面的κ像溫度但不是溫度,黑洞面積像熵但不是熵。於是他們就提出了「黑洞力學」的四個定律,跟普通熱力學比較。但還是強調這不是「熱力學」,而是「力學」。

最偉大的發現:霍金輻射

可是霍金後來又想:萬一貝肯斯坦是對的呢?他又倒過來想了。如果貝肯斯坦是對的,那麼黑洞就真有溫度,就應該有熱輻射射出。於是他又經過半年多的努力,在1974年終於證明了黑洞確實有熱輻射,黑洞的溫度是真溫度。那個κ反映的是真溫度,黑洞表面積A確實是熵,就是黑洞熵。嚴格證明黑洞有熱輻射,是霍金一生中最卓越的成就。後來人們就把黑洞熱輻射稱為霍金輻射。這件工作做出來以後,他的老師西阿瑪就說:霍金毫無疑問是二十世紀最偉大的物理學家之一。  【全文點擊進入】


 

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