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史蒂芬·霍金作品

霍金宇宙論编辑

霍金先後與不同學者合作提出多項學說,改變了人類對宇宙誕生的看法。他與潘洛斯共同建構的奇性定理闡明,宇宙必須有一個初始奇點,時間與空間就是從這初始奇點開始演化。這定理肯定了同時代其他學者開創的宇宙大爆炸理論,推翻古典物理學有關時空是永恒存在的穩恆態理論。霍金進一步在創建的「宇宙無邊界論」裏指出,「宇宙的邊界條件應該很特別,有甚麼條件會比無邊界條件更為特別?」他認為,所有值得納入總合歷史計算的宇宙模型都會彎曲回自己,這種模型不需要設定邊界條件或像奇點一類的奇怪初始條件。[1]:31-32, 61[2]:234

在黑洞研究方面,霍金發現,黑洞並非完全漆黑一片,黑洞會發射出一種輻射(後來被稱為霍金輻射),這種輻射的輻射出射度與黑洞質量成反比,對於宏觀黑洞,輻射出射度很微小,但由於原生黑洞是在宇宙初期溫度非常炙熱時的產物,輻射出射度很大,因此質量消耗很大。有些原生黑洞的壽命跟宇宙年齡相等,它們的質量如果沒有耗盡,則會在近期耗盡,這會造成非常稀有但可觀察到的黑洞蒸發現象。[3]:60-69

學說背景编辑

在古典物理學中,一般相信時間和空間,是一個獨立於自然界的概念,可以永久存在,但1915年,愛因斯坦發表廣義相對論中提出,時間和空間並非絕對,不是獨立於事件的背景,因此,學者對於時間的看法徹底地轉變。

愛德溫·哈伯在1920年代使用100英寸虎克望遠鏡觀察天文時,發現恒星並非均勻分佈於整個空間,而是聚集在星系裏。他又發現,幾乎所有星系都出現紅移現象,即隨著時間流易,它們離地球越來越遠,而且星系離地球越遠,離開的速率亦越快(這就是著名的哈伯定律)。這項發現帶來新的問題:在更早的時候,所有星系是否離地球更近,宇宙是否有一個的開端?[3]:15-18

在那時,很多物理學者嘗試解釋這種現象。英國學者赫爾曼·邦迪湯馬士·戈爾德霍伊爾提出的穩恒態理論闡明,在任何時刻,宇宙的狀態在過去、現在與未來都很相像,持續地擴展,而新生物質也會持續地填補擴展所形成的空間。這理論要求新物質的持續生成率大約為一個粒子每年每千米立方。穩恆態穩恒態理論不嚴格要求宇宙必需具有開端,這一點與大爆炸理論不同。[3]:26-27

俄國學者葉夫根尼·利夫希茨艾薩克·哈拉尼科夫英语Isaac Khalatnikov則提出,當今處於膨脹階段的宇宙可能不是開始於大爆炸,而是延續先前處於塌縮階段的宇宙。實際而言,微擾會使黑洞的奇點變得不穩定,因此,在宇宙塌縮的過程中,很可能因為微擾而使得奇點無法形成,所以,不是所有物質都會塌縮至一個奇點,密度不會變得無限高,這樣可以避免宇宙有開端的說法。[3]:27-29[4]:455ff

奇性定理编辑

貝爾實驗室阿諾·彭齊亞斯羅伯特·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。[3]:20-21

在這之前,霍金已對穩恒態理論持懷疑態度。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。[4]:467[1]:24-25

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。[5]:53-54

霍金輻射编辑

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。[3]:60-69

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年美國太空總署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]:60-69[6]

應用性未確立编辑

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。[3]:63-64

精選論文编辑

科普作品编辑

以下列出霍金的科普作品,內容主要是在論述觀於宇宙、人類的問題。[7]

兒童科幻小說编辑

霍金、女兒露希、博士學生克理斯托福‧高發德英语Christophe Galfard共同撰寫了一本書,之後,霍金、女兒露希又共同撰寫了兩本書[7]

電影、影集编辑

參考文獻编辑

  1. ^ 1.0 1.1 Kristine Larsen. Stephen Hawking: A Biography. Greenwood Publishing Group. 2012. ISBN 978-81-8495-355-8. 
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  3. ^ 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. ^ 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. 
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  10. ^ Benedict Cumberbatch Talks Secrets, Leaks, and Sherlock - TIME
  11. ^ The Hawking Paradox. BBC. [2012-02-09]. 
  12. ^ Richmond, Ray. "Masters of Science Fiction" too artistic for ABC. Reuters. 2007-08-03 [2012-12-07]. 
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  14. ^ Into the Universe with Stephen Hawking. Discovery Channel. [2010-04-25]. (原始内容存档于2011-03-25). 
  15. ^ Brave New World with Stephen Hawking. Channel 4. [2012-06-18]. 
  16. ^ Stephen Hawking's Grand Design. Discovery Channel. [2012-10-25]. 
  17. ^ Goldberg, Lesley. 'The Big Bang Theory' Enlists Stephen Hawking. The Hollywood Reporter. 2012-03-12 [2014-06-05] (英语). 
  18. ^ Stephen Hawking: A Brief History Of Mine. Channel 4. [2014-01-12]. 
  19. ^ Labrecque, Jeff. Eddie Redmayne plays Stephen Hawking in 'Theory of Everything' trailer. Entertainment Weekly. 2014-08-06 [2014-08-06]. 

外部連結编辑