霍金究竟為人類留下哪些著名理論和成就

致敬，霍金！儘管年齡上大我幾輪且身處不同國度，但我們似乎在很多觀點上有精神上的暗合。欽佩您那種敢於挑戰傳統的無畏精神，一直像燈塔一樣帶來光明並暗中給我力量。

139年前的3月14號，愛因斯坦出生了，2018年的3月14號，霍金逝世了。

他是一名偉大的科學家，也是一個傑出的人，他的工作和科研成果在未來許多年都將繼續延續。他的勇氣、執著、才智和幽默激勵著全世界人民。

霍金是即愛因斯坦以後最偉大的物理學家，他的理論震驚世界，也為世界的發展留下巨大的寶貴財富。

世界級頂尖雜誌《天文學》對他有這樣的評價：「當20世紀物理學的成就被客觀地承認時,史蒂芬·霍金的成就將被大書特書地載入科學史冊。」

霍金提出的理論主要可以概括為一下幾點：

1.奇性定理

貝爾實驗室的阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜於1964年測量到具有各向同性、溫度為2,7K的宇宙微波背景輻射。根據大爆炸理論，早期宇宙必定非常酷熱與緻密，隨著宇宙膨脹，輻射應該會大幅度紅移，波長變長、頻率降低，至今變成微波。因此，這發現為大爆炸理論提供了有力的證據，並且徹底摧毀了穩恆態理論。

在這之前，霍金已對穩恆態理論持懷疑態度。當時潘洛斯正在研究黑洞的奇點，他引入拓撲學方法來研究黑洞，並且理論證明利夫希茨和哈拉尼科夫的論述有誤：在每一個黑洞的中心必定存在著一個奇點；在那裡有無限高的密度、無限強的引力、無限大的時空曲率。霍金設想，若逆著時間回至宇宙誕生之時，全部物質聚成一點，這亦即為奇點。霍金應用潘洛斯的方法成功證明，如果廣義相對論正確，宇宙具有足夠物質，則在宇宙起源將會有一個奇點。

霍金的原本表述保證在宇宙起源會有一個奇點，後來，他改變了他的主張，他表示，實際而言，宇宙最初不存在奇點，這是因為廣義相對論不是一個完整理論，在宇宙初始時期，早於普朗克時期，由於宇宙的尺寸非常微小，不能忽略量子力學的效應，只靠廣義相對論來證明奇點存在是不正確的，必需使用量子力學及廣義相對論合併而成的量子引力學理論來研究這論題。

2.霍金輻射

在1970年以前，大多數物理學者認為黑洞只會吸進物質與電磁波，因此四周「漆黑」一片，黑洞的質量亦會隨之上升。霍金於1974年指出，依據不確定性原理，宇宙真空並不是完全空無一物，由正能量粒子與負能量粒子組成的粒子對，會不停的生成，負能量粒子不能長久存在，是虛粒子，它必須與正能量粒子在短暫時間內相遇，因此相互湮滅，這樣才不會違反能量守恆定律；假若有虛粒子對出現在黑洞的事件視界外的鄰近區域，而其中負能量粒子被吸入黑洞，並且從強勁的引力場獲得能量，則正能量粒子就能夠自由逃逸，因此，能量會被輻射出去，黑洞質量會逐漸減小，最終會消失。假若黑洞質量越少，則輻射發射速率越快，加速黑洞的消失。這理論顯示出，量子力學可以除去廣義相對論所預測的奇點。或許，量子引力學理論也能避開這棘手的奇點。

這種從黑洞中釋出的能量，被稱為霍金輻射，由於輻射出射率極其微弱，物理學者無法從觀察到它存在的確證。即使黑洞會發射出霍金輻射，其輻射出射率很弱，並且黑洞還會不停地從宇宙背景輻射吸收能量，這意味著只有當霍金輻射大於宇宙背景輻射時，黑洞的質量才會緩慢減少，並且必需要經過極長時間後，才能耗盡能量，造成蒸發。這並不意味無法觀測到黑洞蒸發，有一種在宇宙初期形成的原生黑洞，由於溫度很高，會發射出大量霍金輻射，有些原生黑洞的壽命大約與宇宙的年齡相等，此時此刻，如果尚未蒸發，它們很可能發射出大量伽瑪射線。2008年美國國家航空航天局發射費米伽瑪射線空間望遠鏡，它可以尋找原生黑洞在蒸發時所發射出的伽瑪射線特徵信號。根據額外維度理論，大型強子對撞機也有可能製成微黑洞。

3.應用性未確立

比較相對論及霍金的學說的應用性，前者對引力及能量的描述，為人類帶來核能發電，而霍金的宇宙論，尚未能直接應用於現代科技。但是，注意到適當尺寸的原生黑洞能夠發射出功率達到10吉瓦的伽瑪射線，假若在不久的將來，物理學者能夠找到這類原生黑洞，並且發展出高端科技來利用這種能源，則黑洞學可以帶給人類更多實質利益。

霍金的科普作品主要以下幾部，內容主要是在論述觀於宇宙、人類的問題，這些是寶貴的財富

例如：《時間簡史》《黑洞、嬰兒宇宙及其他》《胡桃里的宇宙》《在巨人的肩膀上》《新時間簡史》《上帝創造了整數》《大設計》《我的人生簡史》

主要成就可以歸納為三個方面：

1、1965–1970年間，他與羅傑.彭羅斯一起證明了「奇點」。這個成就是在宇宙意義的宏觀框架里。按愛因斯坦的廣義相對論，不能預言宇宙的啟始。而他們認為，大星燃燒耗盡會繼續坍縮直至達到具有無限密度的奇點，這個奇點，引力場特彆強大使得光線不能從圍繞它的區域逃逸，而被引力場拉回去。這就叫做黑洞，黑洞的邊界叫做時間視界，任何通過事件視界的東西掉進黑洞後都在奇點達到其事件的終結。他還證明了黑洞的面積定理，即隨時間的增加黑洞的面積不變。

2、 1970–1974年，主要研究黑洞，做出了畢生最令人吃驚的發現：黑洞不是完全黑的。在宇宙意義的微觀尺度上，粒子和輻射可以從黑洞漏出來。黑洞附近的強大引力場引起粒子反粒子對的創生，粒子對中的一顆粒子落進黑洞，而另一顆逃到無窮遠去，逃逸的粒子好象是從黑洞里發射出來的，也就是說，黑洞象一個熱體似的在輻射，這就是著名的霍金輻射。

3、1974年—，探討將廣義相對論和量子力學綜合成一個統一的理論並提出了許多設想：宇宙無論時間還是空間在範圍上都是有限的，但是它們沒有邊界。如果這個設想成立，就不存在奇性，科學定律會處處有效，包括宇宙的開端在內，即宇宙的啟始是由科學定律所確定的。一種沒有邊界的宇宙理論將全面取代大爆炸的宇宙理論。

圖片來源：牧夫天文

文/劉爽

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！