霍金都有哪些科學成就?

2020-12-03 鍾銘聊科學

霍金的科學成就其實還是有一些的,而且最近的黑洞照片公布之後,似乎也在印證霍金的理論是正確的。接下來,我們就來簡單聊一聊,霍金到底有哪些學術成就?我們要從宇宙大爆炸開始說起。

什麼是宇宙大爆炸?

其實從古到今,宇宙的起源就是一直以來的熱門選題,很多學者都對此發表了很多看法。20世紀初,自從愛因斯坦提出了廣義相對論之後,這事就變得更加鬧騰了。當時有人就提出了:宇宙大爆炸理論。

不過,一開始很多人都覺得這是在瞎編。

不過,沒多久,有個叫做哈勃的老大爺,特別喜歡仰望星空,他就發現一個事情,

距離地球遠的天體,距離會越來越遠。

於是,當得知這個觀測結果之後,一群科學家就在開始開腦洞,他們認為,這個觀測結果說明,隨著時間的推移。宇宙在發生膨脹。如果我們把進度條往回來,退到原點,那宇宙是不是就是一個點?

然後從這個點發生大爆炸,才有的現在的宇宙,並且一直持續膨脹下去,才有哈勃觀測的結果。後來,宇宙大爆炸理論中還預測了氦豐度和宇宙微波背景輻射,這兩樣都被確立了之後,宇宙大爆炸才開始成為主流的理論。而宇宙大爆炸前的那個點,就叫做奇點

奇點定理

一開始其實霍金並不是支持宇宙大爆炸理論的,他更喜歡的是霍伊爾教授提出的穩恆態宇宙模型,這個模型告訴我們,宇宙是恆定不變的,其實愛因斯坦也曾經有過這樣的想法。不過,霍金一心想要師從霍伊爾,卻吃了閉門羹,最後只能跟從其他老師。後來,他發現霍伊爾的穩恆態宇宙是有問題,於是,寫了一篇論文專門駁斥這個理論模型。

後來,霍金開始自己的研究生涯,他就發現有個叫做彭羅斯的數學家在研究奇點。因此,他就和對方商量一起來研究。並且提出了:奇點定理

這個定理其實就是在描述宇宙在大爆炸之前,還處於奇點時的狀態。如果說現在的宇宙所有的一切都來自於奇點,那意思就是說,奇點所具有的的能量就等於目前宇宙中所有的能量。所以,奇點其實有個特點,那就是密度無限大,體積大無限,能量無限大

而霍金所做就是從數學的角度證明奇點存在的是有可能的

霍金輻射

除了奇點定理,霍金還研究黑洞,而且他一生中最重要的學術成就和黑洞有關。

關於黑洞,我們要從恆星說起。恆星的形成一般認為是有宇宙中的星雲物質在引力的作用下產生的。

然後由於核心在引力的作用下溫度升高,直到點燃核聚變反應,於是恆星就開始燃燒自己照耀別人了。而這個時期也被叫做主序星時期。在這段時期會比較溫度,但隨著質量的減小,引力對於恆星自身的控制能力減弱,這時候就會不如恆星的晚年,從氫核聚變到氦核聚變,一直沿著元素周期表的順位發展。直到鐵元素,由於鐵元素十分穩定,核聚變所需要的能量要大於核聚變產生的能量,也就入不敷出了。

有相當一部分的恆星是停留在鐵元素之前,就變成了恆星的屍體了。還有一部分自身質量特別大,就會發生超新星爆炸。

超新星爆炸的結果就是,恆星往太空拋灑物質,剩餘物質有兩個結局,要麼成為一顆中子星,要麼稱為一個黑洞。

在宇宙中,黑洞是出了名的暴脾氣,這是因為它的質量特別大,根據廣義相對論,質量越大,扭曲時空就越厲害,也就是引力特別大。

地球之所以會繞著太陽轉,就是因為太陽壓彎了時空,地球沿著測地線在運動。

如果你把地球放到黑洞旁邊,那就不是轉的問題了,直接就把抓走了。會被黑洞吸走,連渣都不剩。

即使你在黑洞旁邊放一個恆星,那結果也是一樣的。

所以,在當時許多的科學家都認為,黑洞的特點就是只進不出。

不過,霍金提出了不同的想法。根據量子力學,真空並不空,而是有粒子漲落。根據海森堡的不確定性原理,真空中會產生正反虛粒子對,然後再瞬間消失,以確保能量守恆。而且這個也被科學家們所證實了。

霍金就認為,如果黑洞附近也發生了真空的粒子漲落,那袋負能量的虛粒子對就會被黑洞吸走,從外部觀察者的角度上,就好比黑洞吐出帶正能量的虛粒子。所以,實際上,黑洞就失去了能量,在慢慢向外輻射能量一樣。所以,這也被稱為黑洞蒸發,或者霍金輻射。

除了霍金輻射,霍金還和其他幾位科學家一起提出了黑洞熱力學定律。

所以,我們來總結一下,霍金的主要成就是奇點定律,黑洞熱力學,霍金輻射

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