細數霍金在物理學領域作出的那些貢獻

2021-01-18 數學與人工智慧


據英國天空新聞等多家媒體3月14日消息,史蒂芬·霍金去世,享年76歲。

或許大多人都和大話君一樣,對於霍金的了解只是基於學校課本上的簡短介紹,但是我相信,對自然科學稍感興趣的同學,絕對會對他印象深刻。驚訝的不僅是他全身癱瘓,不能言語,只有三根手指可以動,更令人感嘆的,是他那僅有的「先知」一般的大腦,對宇宙科學的大膽探索和預測,一次次刷新著人類的宇宙觀。「宇宙之王」的稱號,當之無愧。


史蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking),1942年1月8日出生於英國牛津。出生當天正好是伽利略逝世300年忌日。

霍金畢業於牛津大學(University of Oxford)和劍橋大學(University of Cambridge),並獲劍橋大學博士學位。

1963年,21歲的他不幸被診斷患有肌肉萎縮性側索硬化症即運動神經細胞病。當時,醫生曾診斷身患絕症的他只能活兩年,可他一直堅強地活了下來。

1965年,23歲時他取得了博士學位留在劍橋大學進行研究工作。


霍金的研究領域是引力與黑洞,他主要有兩個貢獻:奇點定理(1970)與霍金輻射(1974)。霍金的主要工作都作於上世紀60年代末70年代初黑洞研究大發展時期,霍金(與G. Ellis)的專著《時空的大尺度結構》(1973)也成書於這一時期。霍金的早期工作是當時引力與黑洞領域非常重要的進展,對這一領域也起到了非常大的促進作用,但是還談不上最重大(更談不上偉大)。相較於前面提到的兩個貢獻,霍金被引用最多的工作可能是「貝肯斯坦-霍金熵」公式,但很可惜,這個工作不是霍金先做出來的。


而從70年代到現在30多年時間裡,引力與黑洞領域研究取得了長足的進展。霍金的貢獻可以位列其中,但是並不是唯一和最重大的。另一個例子是宇宙學。雖然公眾對霍金的印象是霍金在研究宇宙,但是有趣的是,如今專業的宇宙學研究論文裡幾乎不會出現霍金的名字。至於霍金的《時空的大尺度結構》,雖然這本書在引力研究領域名氣很大,但是今天做宇宙學研究的人可能大部分都沒看過,因為他們有別的合適得多的參考書籍。

作為一位70歲的老人(霍金生於1942),霍金仍然在搞科研。但是和所有已經功成名就的大科學家一樣,科研基本上止於姿態,對主流科學界基本沒有什麼影響。

奇點定理:Roger Penrose(彭羅斯,似乎更牛) 一起開創性地運用拓撲學的方法,證明廣義相對論方程導致奇點解,間接地證明了大爆炸奇點的存在。

霍金輻射:受Bekenstein熵的啟發下,運用彎曲時空背景下的量子場論方法,證明黑洞像熱力學黑體一樣對外輻射。這是廣義相對論和量子力學相結合的第一個典範,具有特殊的重要性。

霍金的主要工作都作於上世紀60年代末70年代初黑洞研究大發展時期,他的早期工作對引力與黑洞領域起到了非常大的促進作用。其證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理,提出了黑洞蒸發現象和無邊界的霍金宇宙模型。在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。

公眾對霍金的印象是一個宇宙科學家,他的研究對象是宇宙,但其實他對觀測天文並不感興趣,只有幾次用望遠鏡觀測過。他的研究方式主要是通過猜想和理論相結合做出預言性結論(這或許是令很多人不能信服的原因吧)。

霍金認為他一生的貢獻是,在經典物理的框架裡,證明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性,黑洞越變越大;但在量子物理的框架裡,他指出,黑洞因輻射而越變越小,大爆炸的奇點不但被量子效應所抹平,而且整個宇宙正是起始於此。


霍金作為當代理論物理的代言人,對於在公眾面前宣傳理論物理作用是極大的。這一影響力應該無人能出其左右。

當然,霍金在學術界的名氣是與其貢獻相稱的。同行們將霍金視為上世紀70年代以來在引力和黑洞領域作出傑出貢獻的眾多學者之一。而並沒有把他擺在諸如牛頓、愛因斯坦,等人之上。但是,他在公眾面前的名氣令人匪夷所思。其一方面來自其研究領域的普遍吸引力——你很難找到比諸如時空、宇宙這樣更吸引大眾的主題了,何況研究領域涉及到拿愛因斯坦這樣的大牛。傳言,也因為劍橋大學霍金團隊以及出版商的運作,將他包裝成了「偉大」的科學明星。

其代表作《時間簡史》(1988),探索著宇宙的起源,憑藉豐富的想像,精妙的構思,字字珠璣,闡釋宇宙未來之變,神奇而美妙。這本書至今累計發行量已達2500萬冊,被譯成近40種語言。

霍金在學術界的名氣是與其貢獻相稱的。他的理性的同行們將霍金視為上世紀70年代以來在引力和黑洞領域作出傑出貢獻的眾多學者之一,而並沒有把他擺在諸如牛頓、愛因斯坦,甚至費曼、楊振寧的位置上。至於霍金在公眾面前的名氣則多少有些匪夷所思。其一方面來自其研究領域的普遍吸引力——你很難找到比諸如時空、宇宙這樣更吸引大眾的主題了,何況還可以拿愛因斯坦打廣告;一定程度上也是劍橋大學霍金團隊以及出版商的運作,否則你很難理解為何一個科普作家被包裝成了「偉大」的科學明星。

《果殼中的宇宙》是霍金繼《時間簡史》後最重要的著作。霍金在書中,再次把我們帶到理論物理的最前沿,用通俗的語言向我們解釋宇宙的原理,誰也無法想像果核與宇宙的聯繫,而霍金正向我們生動,形象地講述這些神奇。和《時間簡史》一起成為全世界最暢銷的科普著作之列,影響力可見一斑!


霍金在科學上的成就和楊振寧、溫伯格、施溫格、費曼有差距,除了健康因素外(當然這個因素非常重要),很大程度是因為,比他們晚了一代。


你看楊振寧他們比海森堡狄拉克晚了一代,海森堡狄拉克們又比愛因斯坦和波爾晚了一代。「一代不如一代」。


我相信,如果霍金沒有得那個怪病,而且生在相對論和量子力學誕生的年代的話,他會出現在索爾維會議的那張照片上。

當然啦,作為一位大半生困在輪椅上人,霍金至今仍然在堅持科研和寫作,身殘志堅,與命運抗爭,這種精神絕對稱得上偉大。

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    科學方面  霍金的研究領域是引力與黑洞。他的主要貢獻有兩個:奇點定律(1970)與霍金輻射(1974)。  奇點定理:Roger Penrose(彭羅斯,似乎更牛) 一起開創性地運用拓撲學的方法,證明廣義相對論方程導致奇點解,間接地證明了大爆炸奇點的存在。
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  • 楊振寧比起霍金的成就更大,回國後貢獻巨大,理應受到大家追捧
    這個真的有些過譽了,霍金很牛,最牛的還是那本暢銷書。要說物理學領域的貢獻和成就,愛因斯坦之後應該是楊振寧才對。但很遺憾的是,在國內流傳的最多的不是楊振寧的科學成果,而是花邊新聞和謠言。娛樂至死的時代,就連一位偉大的科學家都經常登上娛樂板塊,不得不說,真是時代的悲哀。霍金,物理學方面的貢獻遠不如楊振寧,大家對他全是讚譽,相反,面對我們的科學家,國人給的是誹謗和惡語。
  • 2020年度諾貝爾物理學獎揭曉,表彰三位科學家在黑洞研究領域的貢獻
    瑞典皇家科學院宣布,2020年度諾貝爾物理學獎獲獎者為英國理論物理學家羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)與德國天文學家萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)、美國天文學家安德裡亞·格茲(Andrea Ghez),總獎金為1000萬瑞典克朗(約合760萬人民幣),表彰他們在天體物理學領域的貢獻
  • 諾貝爾物理學獎頒給黑洞,或許是因為錯過了霍金
    當然,因為天體物理領域近年來獲得的諾貝爾物理獎實在是太多了,今年又授予了這一領域,所以我還是挺意外的;而且很多人也認為,黑洞的諾獎很可能會給最早的黑洞發現者,獲獎的兩位觀測天文學家很顯然不是。不過這三位獲獎也是實至名歸——對於黑洞的存在,他們分別貢獻了無可爭議的理論預言和無可置疑的觀測證據,在當世科學家中的確最為突出。祝賀他們!
  • 如果霍金還活著,他能獲得今年的諾貝爾物理學獎
    2020年的諾貝爾物理學獎揭曉了。英國科學家Roger Penrose(羅傑·彭羅斯)由於發現黑洞的形成是廣義相對論的一個有力預言而獲獎,他將獲得一半的獎金。經過霍金的完善,宇宙大爆炸理論終於接近完整了。由於彭羅斯和霍金都作出了傑出貢獻,從廣義相對論出發推導出的奇點定理又被稱作彭羅斯-霍金奇性定理。1988年的沃爾夫物理學獎就是頒給了彭羅斯和霍金。
  • 諾貝爾物理學獎頒給黑洞,或許是因為錯過了霍金-虎嗅網
    當然,因為天體物理領域近年來獲得的諾貝爾物理獎實在是太多了,今年又授予了這一領域,所以我還是挺意外的;而且很多人也認為,黑洞的諾獎很可能會給最早的黑洞發現者,獲獎的兩位觀測天文學家很顯然不是。不過這三位獲獎也是實至名歸——對於黑洞的存在,他們分別貢獻了無可爭議的理論預言和無可置疑的觀測證據,在當世科學家中的確最為突出。祝賀他們!
  • 數讀「諾貝爾物理學獎 他們與物理學獎」擦肩而過
    北京時間8日下午,瑞典皇家科學院將2019年諾貝爾物理學獎授予吉姆·皮布爾斯(James Peebles)、米歇爾·麥耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)三名科學家,以表彰其在宇宙學和地外行星相關領域的研究貢獻。當地時間10月8日中午,瑞典皇家科學院將2019年諾貝爾物理學獎授予一名來自美國和兩名來自瑞士的科學家。
  • 剛剛,2020年諾貝爾物理學獎頒布!霍金「戰友」獲獎,黑洞「吸納...
    他在數學物理方面的工作擁有高度評價,特別是對廣義相對論與宇宙學方面的貢獻。萊因哈德·根澤爾,德國天體物理學家,出生於巴特洪堡。安德裡亞·格茲,美國天文學家,加州大學洛杉磯分校物理學和天文學教授。今年物理學獎公布之後,很快就有多位科學界人士感嘆史蒂芬·霍金的逝去。霍金在科學上有許多貢獻,包括與本次諾獎得主之一的羅傑·彭羅斯共同合作提出在廣義相對論框架內的彭羅斯-霍金奇性定理,以及他對關於黑洞會發放輻射的理論性預測(現稱為霍金輻射)。霍金是第一個提出由廣義相對論和量子力學聯合解釋的宇宙論理論之人。
  • 彭羅斯與霍金對廣義相對論和黑洞研究的貢獻
    今年的諾貝爾物理學獎發給了三位研究相對論天體物理的科學家。這是霍金的重大損失,也是諾貝爾獎的重大損失。當然,還有一位對黑洞研究做出重大貢獻的科學家貝根斯坦(J.Bekenstein),他比霍金去世更早,當然也與諾貝爾獎失之交臂。
  • 2020諾貝爾獎名單公布,帶你了解「對人類作出最大貢獻」的人
    旨在表彰在物理學、化學、和平、生理學或醫學以及文學上「對人類作出最大貢獻」的人士;以及用於表彰在經濟學領域傑出貢獻的人。近期,2020年諾貝爾獎陸續公布,諾貝爾獎作為各行業領域的最高獎項之一,總是會萬眾矚目,讓我們來看看今年都有哪些人獲獎了吧!
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    霍金的主要研究領域是宇宙論和黑洞,證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理,提出了黑洞蒸發現象和無邊界的霍金宇宙模型,在統一20世紀物理學的兩大基礎理論――愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步