史蒂芬·霍金作品
史蒂芬·霍金，OCH，CBE，FRS，FRSA，是英国著名物理学家，剑桥大学理论宇宙学中心研究主任。霍金对理论宇宙学贡献杰出，特别是对黑洞奇点、霍金辐射的研究。
霍金宇宙论
[编辑]霍金先后与不同学者合作提出多项学说，改变了人类对宇宙诞生的看法。他与潘洛斯共同建构的奇性定理阐明，宇宙必须有粒初始奇点，时间与空间就是由此初始奇点开始演化。这定理肯定了同时代其他学者开创的宇宙大爆炸理论，推翻古典物理学有关时空是永恒存在的稳恒态理论。霍金进而在创建的“宇宙无边界论”里指出，“宇宙的边界条件应该很特别，有什么条件会比无边界条件更特别？”他认为，所有值得纳入总合历史计算的宇宙模型都会弯曲回自己，这种模型不需要设定边界条件或像奇点一类的奇怪初始条件。[1]:31-32, 61[2]:234
在黑洞研究方面，霍金发现，黑洞并非完全漆黑一片，黑洞会发射出一种辐射（后来称为霍金辐射），这种辐射的出射率与黑洞质量成反比，对于宏观黑洞，辐射出射率极低，但由于原生黑洞是在宇宙初期温度非常炙热时的产物，辐射出射率很大，因此质量消耗很大。有些原生黑洞的寿命跟宇宙年龄相等，它们的质量如果没有耗尽，则会在近期耗尽，造成非常稀有但可观察到的黑洞蒸发现象。[3]:60-69
学说背景
[编辑]古典物理学一般相信时间和空间是独立于自然界的概念，可以永久存在；但1915年，爱因斯坦发表广义相对论提出时间和空间并非绝对，不是独立于事件的背景，学者对时间的看法彻底转变。
爱德温·哈伯在1920年代用100英寸虎克望远镜观察天文时发现恒星并非均匀分布于整片空间，而是聚集成星系。他又发现几乎所有星系都有红移现象，即随着时间流易，它们离地球越来越远，而且星系离地球越远，离开速率亦越快（后来成为著名的哈伯定律）。这发现带来新问题：在更早的时候，所有星系是否离地球更近，宇宙是否有一个的开端？[3]:15-18
那时很多物理学者尝试解释这种现象。英国学者赫尔曼·邦迪、汤马士·戈尔德和霍伊尔提出的稳恒态理论阐明，在任何时刻，宇宙的状态在过去、现在与未来都很像，持续扩展，而新生物质也会持续填补扩展形成的空间。这理论要求新物质大约每年每立方千米持续生成一粒粒子。稳恒态理论不严格要求宇宙必须有开端，这点与大爆炸理论不同。[3]:26-27
俄国学者叶夫根尼·利夫希茨和艾萨克·哈拉尼科夫则提出，当今处于膨胀阶段的宇宙可能不是始于大爆炸，而是延续先前处于塌缩阶段的宇宙。实际而言，微扰会使黑洞奇点变得不稳定，因此，宇宙塌缩过程中很可能因为微扰而使奇点无法形成，所以不是所有物质都会塌缩至一粒奇点，密度不会变得无限高，这样可以避免宇宙有开端的说法。[3]:27-29[4]:455ff
奇性定理
[编辑]贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊于1964年测量到有各向同性、温度为2.7K的宇宙微波背景辐射。根据大爆炸理论，早期宇宙必定非常酷热与致密，随着宇宙膨胀，辐射应会大幅红移，波长拉长、频率降低，至今变成微波。此发现为大爆炸理论提供了有力证据，并彻底摧毁了稳恒态理论。[3]:20-21
在这之前，霍金已对稳恒态理论持怀疑态度。当时潘洛斯正在研究黑洞奇点，他引入拓扑学方法来研究黑洞，并且理论证明利夫希茨和哈拉尼科夫的论述有误：每个黑洞中心必定有一粒奇点；那里密度无限高、引力无限强、时空曲率无限大。霍金设想，若逆着时间回至宇宙诞生之时，全部物质聚成一点，这亦即为奇点。霍金用潘洛斯的方法成功证明，如果广义相对论正确，宇宙有足够物质，则在宇宙起源将会有一粒奇点。[4]:467[1]:24-25
霍金原本的表述保证在宇宙起源会有一粒奇点，后来改变主张，表示实际而言宇宙最初没有奇点，因为广义相对论不是完整理论，在宇宙初期，早于普朗克时期，由于宇宙尺寸非常微小，不可忽略量子力学效应，只靠广义相对论来证明奇点存在不正确，必须用量子力学及广义相对论合并而成的量子引力学理论来研究这论题。[5]:53-54
霍金辐射
[编辑]1970年前，大多数物理学者认为黑洞只会吸入物质与电磁波，因此四周“漆黑”一片，黑洞质量亦会随之上升。霍金于1974年指出，依据不确定性原理，宇宙真空并非完全空无一物，正能量粒子与负能量粒子组成的粒子对会不停生成，负能量粒子是虚粒子，不能长久存在，必须与正能量粒子在短时间内相遇，互相湮灭，这才不会违反能量守恒定律；假若有虚粒子对在黑洞事件穹界外周围出现，而负能量粒子被吸入黑洞并从强劲的引力场获得能量，则正能量粒子就能自由逃逸，因此，能量会辐射出去，黑洞质量会逐渐减小直至消失。假若黑洞质量越小，辐射出射率就越高，黑洞越快消失。这理论显示量子力学可以除去广义相对论所预测的奇点。或许量子引力学理论也能避开这棘手的奇点。[3]:60-69
这种黑洞释出的能量称为霍金辐射，由于辐射出射率极其微弱，物理学者无法从观察到它存在的确证。即使黑洞会发射霍金辐射，其辐射出射率很弱，并且黑洞还会不停地从宇宙背景辐射吸收能量，这意味着只有当霍金辐射大于宇宙背景辐射时，黑洞的质量才会缓慢减少，并且必须经极长时间才能耗尽能量蒸发殆尽。这并不意味无法观测到黑洞蒸发，有种在宇宙初期形成的原生黑洞温度很高，会发射出大量霍金辐射，有些原生黑洞的寿命与宇宙年龄相约，此时此刻，如果尚未蒸发殆尽，它们很可能发射出大量伽玛射线。2008年美国太空总署发射的费米伽玛射线空间望远镜可以寻找原生黑洞消失时发射出独有的伽玛射线讯号。根据额外维度理论，大型强子对撞机也有可能制成微黑洞。[3]:60-69[6]
用处未确立
[编辑]比较相对论及霍金学说的用处，前者对引力及能量的描述为人类带来核能发电；而霍金的宇宙论尚未能直接应用于现代科技。但是，注意到适当尺寸的原生黑洞能够发射出功率达一百亿瓦（10 GW）的伽玛射线，假若在不久将来，物理学家能够找到这类原生黑洞并发展出高端科技来利用这种能源，黑洞学就可以带给人类更多实质利益。[3]:63-64
精选论文
[编辑]- Hawking, S. W.; Penrose, R. The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1970, 314 (1519): 529–548. Bibcode:1970RSPSA.314..529H. doi:10.1098/rspa.1970.0021.
- Hawking, S. Gravitational Radiation from Colliding Black Holes. Physical Review Letters. 1971, 26 (21): 1344–1346. Bibcode:1971PhRvL..26.1344H. doi:10.1103/PhysRevLett.26.1344.
- Hawking, S.W. Black holes in general relativity. Communications in Mathematical Physics. 1972, 25 (2): 152–166 [2018-02-16]. Bibcode:1972CMaPh..25..152H. doi:10.1007/BF01877517. （原始内容存档于2012-01-13）.
- Hawking, S. W. Black hole explosions?. Nature. 1974, 248 (5443): 30–31. Bibcode:1974Natur.248...30H. doi:10.1038/248030a0.
- Hawking, S.W. The development of irregularities in a single bubble inflationary universe. Physics Letters B. 1982, 115 (4): 295–297. Bibcode:1982PhLB..115..295H. doi:10.1016/0370-2693(82)90373-2.
- Hartle, J.; Hawking, S. Wave function of the Universe. Physical Review D. 1983, 28 (12): 2960–2975. Bibcode:1983PhRvD..28.2960H. doi:10.1103/PhysRevD.28.2960.
- Hawking, S. Information loss in black holes. Physical Review D. 2005, 72 (8): 084013. Bibcode:2005PhRvD..72h4013H. arXiv:hep-th/0507171
. doi:10.1103/PhysRevD.72.084013.
科普作品
[编辑]以下列出霍金的科普作品，内容主要是在论述观于宇宙、人类的问题。[7]
- 《时间简史》（1988）
- 《黑洞、婴儿宇宙及其他》（1993）
- 《胡桃里的宇宙》（2001）
- 《在巨人的肩膊上》（2002）
- 《新时间简史》（2005）
- 《上帝创造了整数》（2005）
- 《大设计》（2010）
- 《梦想的构成》（2011）
- 《我的人生简史》（2013）
- 《霍金大见解：留给世人的十个大哉问与解答》（2018）
儿童科幻小说
[编辑]霍金、女儿露希、博士学生克理斯托福‧高发德共同撰写了一本书，之后，霍金、女儿露希又共同撰写了两本书[7]
- 《乔治通往宇宙的秘密钥匙》（2007）
- 《乔治的宇宙寻宝》（2009）
- 《乔治与大爆炸》（2011）
电影、影集
[编辑]- 《时间简史》（1992）[8]
- 《霍金的宇宙》（1997）[9]
- 《霍金》（2004），由班奈狄克·康柏拜区主演的一部电视影片。.[10]
- 《地平线》（2005）[11]
- 《科幻大师》（2007）[12]
- 《霍金与万有理论》（2007）
- 《霍金：宇宙大师》（2008）[13]
- 《霍金的宇宙大探索》（2010）[14]
- 《史蒂芬霍金的未来新世界》（2011）[15]
- 《史蒂芬霍金之大设计》（2012）[16]
- 《生活大爆炸》第5季第21集《霍金刺激》（2012）[17]
- 《霍金：我的简史》（2013）[18]
- 《爱的万物论》（2014），由艾迪·瑞德曼主演[19]
参考文献
[编辑]- ^ 1.0 1.1 Kristine Larsen. Stephen Hawking: A Biography. Greenwood Publishing Group. 2012. ISBN 978-81-8495-355-8.
- ^ Baird, Eric. Relativity in Curved Spacetime: Life Without Special Relativity. Chocolate Tree Books. 2007 [2015-02-20]. ISBN 978-0-9557068-0-6. （原始内容存档于2013-09-06）.
- ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Stephen W. Hawking. The Theory of Everything: The Origin and Fate of the Universe. Jaico Publishing House. 2007-01-01. ISBN 978-8179925911.
- ^ 4.0 4.1 Kip Thorne. Black Holes & Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy (Commonwealth Fund Book Program). W. W. Norton. 1995-01-17. ISBN 978-0-393-24747-3.
- ^ Stephen Hawking. A Brief History of Time. Random House Publishing Group. 2011-05-04. ISBN 978-0-553-89692-3.
- ^ The GLAST Mission: GLAST Overview, mission length. NASA. [2007-08-09]. （原始内容存档于2007-08-09）.
- ^ 7.0 7.1 Books. Stephen Hawking Official Website. [2012-02-28]. （原始内容存档于2012-03-13）.
- ^ A Brief History of Time: Synopsis. Errol Morris. [2012-06-18]. （原始内容存档于2012-06-29）.
- ^ Stephen Hawking's Universe. PBS. [2012-06-26]. （原始内容存档于2012-06-23）.
- ^ Benedict Cumberbatch Talks Secrets, Leaks, and Sherlock - TIME. [2015-02-11]. （原始内容存档于2014-10-07）.
- ^ The Hawking Paradox. BBC. [2012-02-09]. （原始内容存档于2012-03-09）.
- ^ Richmond, Ray. "Masters of Science Fiction" too artistic for ABC. Reuters. 2007-08-03 [2012-12-07]. （原始内容存档于2009-02-03）.
- ^ Master of the Universe. Channel 4. [2012-03-04]. （原始内容存档于2012-02-29）.
- ^ Into the Universe with Stephen Hawking. Discovery Channel. [2010-04-25]. （原始内容存档于2011-03-25）.
- ^ Brave New World with Stephen Hawking. Channel 4. [2012-06-18]. （原始内容存档于2012-06-18）.
- ^ Stephen Hawking's Grand Design. Discovery Channel. [2012-10-25]. （原始内容存档于2012-11-02）.
- ^ Goldberg, Lesley. 'The Big Bang Theory' Enlists Stephen Hawking. The Hollywood Reporter. 2012-03-12 [2014-06-05]. （原始内容存档于2014-07-20） （英语）.
- ^ Stephen Hawking: A Brief History Of Mine. Channel 4. [2014-01-12]. （原始内容存档于2014-01-12）.
- ^ Labrecque, Jeff. Eddie Redmayne plays Stephen Hawking in 'Theory of Everything' trailer. Entertainment Weekly. 2014-08-06 [2014-08-06]. （原始内容存档于2014-08-08）.
