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宇宙大師史蒂芬·霍金

悼念宇宙大師史蒂芬·霍金先生!

14日,英國著名物理學家史蒂芬·霍金家族的發言人稱,霍金逝世,享年76歲。霍金的子女在一份聲明中說:「我們親愛的父親今天去世了,我們深感悲痛」。聲明稱,霍金「是一個偉大的科學家,一個不平凡的人,他的研究和成就的影響將持續多年」。

霍金是英國物理學家與宇宙學家,生前任劍橋大學理論宇宙學中心研究主任。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。

他的主要貢獻有兩個:奇點定律(1970)與霍金輻射(1974)。

奇點定理:他和彭羅斯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: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。

1981年,霍金髮表了論文《宇宙邊界條件》。他提議,宇宙可能沒有邊界(沒有起源或終結)。兩年後,他與詹姆斯·哈妥共同提出宇宙無邊界模型。

霍金與艾利斯共同撰著的《時空的大尺度結構》於1973年出版,這是霍金的第一本著作,現已成為經典文品,主要是探討時空的基礎結構,從粒子物理學尺度10-13cm到宇宙學尺度1028cm,應用微分幾何來檢試廣義相對論的兩個後果,第一個後果是恆星坍縮後形成黑洞與其所含有的奇點,第二個後果則是在宇宙初始時奇點的存在。

黑洞的事件視界表面面積永不會減少,兩個黑洞合併後的表面面積不會小於原先兩個表面面積之和,這發現後來被命名為黑洞熱力學第二定律。

不僅是旋轉中的黑洞,甚至連靜止的黑洞也會持續發射粒子,其能譜符合熱力學黑體輻射的物理性質。

霍金在牛津大學盧瑟福-阿普頓實驗室發表論文《黑洞爆炸》。在這篇論文里,他詳述,在事件視界外的鄰近區域會出現很多虛粒子對,每一對虛粒子都是由一個正能量粒子和一個負能量粒子組成,總能量為零,通常,這些虛粒子對在出現後的短暫片刻會相互湮滅,為了滿足不確定性原理,但是,假若在湮滅前,負能量粒子穿越過事件視界,則它可以在黑洞內生存,而正能量粒子也可以逃逸至無窮遠,因此,能量會被輻射出去,黑洞質量會逐漸減小,這就是宏觀黑洞發射輻射的機制。對於宏觀黑洞,輻射率與質量呈反比,由於宇宙微波背景輻射的干擾,很難觀測到這種稱為霍金輻射的現象。例如,一個質量為太陽質量(1030kg)的黑洞,其霍金輻射溫度為10-7K,遠遠低於宇宙微波背景溫度(2.7K)。黑洞的壽命與質量的三次方成正比,假設黑洞質量為1012kg,則其壽命大約為宇宙年齡1010年,假設這黑洞是形成於宇宙初期的原生黑洞,則它應該會在近期「蒸發」(黑洞蒸發),溫度大約為1011K,輻射出大量伽馬射線,但是比伽馬射線暴的光度低很多,雖然這類稀有事件大概只能發生在太陽系內才可被觀察到,但這確實是一種可觀察到的事件,儘管至今為止尚未有科學家真正觀測到這類事件。

這篇論文立刻震驚了整個宇宙學界。

霍金撰寫了多本闡述自己理論與一般宇宙論的科普著作,廣受大眾歡迎。1988年霍金髮表《時間簡史:從大爆炸到黑洞》,該書被譯成40多種文字,發行量高達2500多萬冊。

1988年,他與彭羅斯共同獲得沃爾夫獎,表彰他們「對於廣義相對論的重要研究,這些研究顯示了宇宙奇點的必要性和與黑洞相關物理。隔年,英國女皇伊麗莎白二世頒予名譽勛位,以肯定他對國家的重大貢獻。

在於2006年出版的選集《上帝創造整數》里,霍金收錄了數學史上最重要數學論文之中的31篇論文,並且簡略描述了每篇論文作者的生平。

霍金的著作中提到過股市。霍金寫的《時間簡史》中提及的虛實時間概念及直角坐標。滬、深、創業版的指數是空間標的指數都不一樣,但它們的時間指數完全相同。


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