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关于神秘的黑洞,物理学家霍金为大众做了两场科普演讲

曾梦龙2017-06-09 18:20:29

一场主题为“黑洞没有毛吗?”,另一场则为“黑洞并不像想象的那么黑”。

作者简介:

史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)被尊崇为爱因斯坦后最杰出的理论物理学家之一。 1963 年,年仅 21 岁的剑桥大学研究生史蒂芬·霍金染上运动神经疾病,被告知只有两年可活。然而他却成为龚维尔和基斯学院的卓越研究员,后来被选为卢卡斯数学和理论物理学教授,牛顿从 1663 年起曾担任这一教职长达 30 年。霍金教授现在是剑桥大学理论宇宙学中心的研究所长。他被授予超过 12 个名誉学位, 1989 年被授予荣誉勋爵。他还是英国皇家学会会员和美国科学院院士。他为普通读者撰写的畅销书包括《时间简史》《果壳中的宇宙》等。

大卫·舒克曼: BBC 新闻科学编辑,从 2003 年起报道科学和环境问题。他报道过美国航天飞机的最后一次升空以及大型强子对撞机的发现。他是 BBC 十点新闻的定期撰稿人,著有三部著作。

书籍摘录:

导言(节选)

大卫·舒克曼

有关史蒂芬·霍金的一切都是迷人的:他在绝境中的病体下深藏的天才;他那只有一块肌肉活动的脸上露出的意味深长的微笑;还有他那机器人的声音,这种特别的声音邀请大家分享他的发现的快乐,与他的思想一同去漫游宇宙最奇异的角落。

这位非凡的人物克服千难万险,超越了寻常的科学边界。他的著作《时间简史》影响惊人,售出了超过 1000 万册。从他本人出演流行喜剧中的角色,到白宫对他的邀请以及广受欢迎的霍金传记片,都肯定了他的名望。霍金已经名副其实地成为了世界上最著名的科学家。

20 世纪 60 年代,当他被诊断患了运动神经元病时,医生断言他只有两年的寿命了。但半个多世纪后,他仍然在研究、写作、旅行,并且还经常在新闻媒体上露面。他的女儿露西用“极度倔强”来解释他这种异常的活力。

不管是由于个人遭受的痛苦,还是由于他的热情,霍金都令人浮想联翩。他最近告诫人们,人类正面临着一系列自己制造的灾难——从全球温化到人工改造的病毒——一篇报道他的这些观点的文章获得了那天 BBC 网站上最多的点击量。

图片由出版社提供

极其讽刺的是,如此杰出的一位交流者却不能正常地与人对话。进行采访前,人们必须预先提供访谈问题。若干年前,为霍金工作的职员提醒我在采访过程中不要与他闲谈,因为他即便是回答最简短的问题,都要花很长时间去遣词造句。然而,当终于和他会面时,我激动得忍不住脱口而出:“你好吗?”——于是只能内疚地等待他回答。他很好。

在他位于剑桥的办公室里,有一块写满了方程的黑板。宇宙学当中需要使用很多非常罕见的数学语言。不过,霍金对科学研究的特殊贡献恰恰就是驾驭一些显然是属于不同专业领域的方法:其中最为人所知的是,他是最早将原本设计用来探索原子内微小粒子的科学手段应用于研究广袤太空的人。

在这个极端复杂的研究领域,霍金的同事们也许会担心,大众永远无法理解他们的研究。不过,霍金的一个明显特征恰是力争赢得更广泛的受众。在 2016 年的 BBC 里斯讲座中,他游刃有余地将毕生对黑洞的洞见凝缩在两次 15 分钟的讲演中。对于那些好奇却同时感到困惑,或者着迷于这思想却害怕科学的读者,我在关键点上都附加了注解,希望能有助于理解。

来自:亚马逊

黑洞没有毛吗?(节选)

有人说,事实有时比小说更不可思议,没有什么比黑洞的情形更体现这点了。黑洞比科幻作家的任何异想天开都更怪异,但它们却是已经被科学证明了的存在。科学界不仅较晚才意识到大质量恒星可在自己的引力作用下往恒星中心坍缩,而且在对坍塌后留下的天体和物质的行为的相关思考也很迟缓。 1939 年阿尔伯特·爱因斯坦甚至写了一篇论文断言,因为物质只能有限度地被压缩,所以恒星不能在自身引力作用下坍缩。许多科学家都赞同爱因斯坦的这个直觉判断。而在反对者当中,最主要的大概要数美国科学家约翰·惠勒了。他在诸多方面都是历史上推动黑洞理论的英雄。他在 20 世纪 50 年代和 60 年代的研究中强调,许多恒星最终会坍缩,并指出了这种可能性给理论物理学带来的问题。他还预见到坍缩的恒星转变成的天体,也就是黑洞的许多性质。

(DS:“黑洞”这个词字面意思很简单,但是要想象在太空中某处一个真实存在的黑洞则比较困难。试着想象有一个巨大的下水口,水盘旋着流入其中。任何东西一旦滑过这个下水口开始下倾的边缘 —对应黑洞当中所谓的“事件视界” —就无法返回。因为黑洞是如此强有力,甚至连光都会被它们吞没,所以我们实际上看不到它们。不过科学家知道它们的确存在,因为黑洞会将靠其太近的恒星撕裂开来,与此同时向太空中发出振荡波。最近一项有重大意义的科学成果就是探测到了正是超过十亿年前两个黑洞碰撞产生的所谓的“引力波”。)

在一颗正常恒星的几十亿年寿命的大部分时间里,支持恒星对抗自身引力的力量来自于恒星内部的热压力,而热压力产生于将氢转变成氦的核反应过程中。

(DS: 美国航空航天局用高压锅来比喻恒星。恒星内部的核聚变的爆炸力产生了向外的压力,将一切都往内拉的恒星自身引力把这压力约束在恒星内部。)

图片由出版社提供

然而,恒星最终必将耗尽它的核燃料,失去与自身引力对抗的热压力。这时候恒星就会收缩。在某些情形下,它可能变成一颗“白矮星”而支持自身。然而, 1930 年萨拉玛尼安·钱德拉塞卡证明,白矮星的质量大小是有上限的,其最大质量是太阳质量的 1.4 倍。苏联物理学家列夫·朗道对全部由中子构成的恒星计算出类似的最大质量。

(DS: 白矮星和中子星都曾是像太阳那样的恒星,而其内部的核燃料已经燃烧殆尽。由于失去了使之胀大的力量,无法阻止自身引力拉力将其缩小,于是它们就变成了宇宙中的某些最致密的天体。不过在恒星的大小排名表上,这些恒星却是相对较小的,这意味着它们的自身引力大小不足以使恒星完全坍缩。因此,史蒂芬·霍金和其他人最感兴趣的问题是,最大的恒星在到达其生命终点时会发生什么?)

那么,当那无数拥有比白矮星或中子星更大质量的恒星耗尽它们的核燃料时,它们的命运又如何呢?罗伯特·奥本海默,后来的原子弹之父,研究了这个问题。 1939 年,在和乔治·沃尔科夫、哈特朗德·斯奈德合作的两篇论文中,他证明了,这样大质量的恒星,其内部向外的压力不足以支持自己;而且如果你在计算中忽略压力,那么一颗均匀的球面对称的恒星就会收缩到具有无限密度的单独的一点。这样的一点被称为奇点。

(DS: 一个奇点是由一颗大质量的恒星被压缩到难以想象的小的点时的结局。这个概念一直是史蒂芬·霍金研究生涯的典型主题。它不仅有关恒星的终结,还有关形成整个宇宙的起点的更远为基本的观念。正是霍金关于这些的数学研究为他获得了世界性的声誉。)

图片由出版社提供

我们有关空间的所有理论都是在假定时空是光滑和几乎平坦的基础上表述的。所以这些理论在奇点处都崩溃了,因为在那里的时空曲率为无限大。事实上,奇点标志着时间本身的终结,这也正是爱因斯坦对之持有异议的原因。

(DS: 爱因斯坦的广义相对论认为,物体使围绕它们的时空变形。想象放在一张蹦床上的一个保龄球,它会改变蹦床布料的形状,使得其他较小的物体朝它滑去。人们通常用这种办法来比喻和理解引力效应。倘若时空的弯曲程度越来越厉害,最终变成无限大,在此处我们日常所熟知的时空规则就不再适用。)

接着第二次世界大战来临。大多数科学家,包括罗伯特·奥本海默,都将注意力转向核物理,引力坍缩问题被大多数人遗忘了。而被称为“类星体”的遥远天体的发现重新激起了科学家们对这个研究课题的兴趣。

(DS: 类星体(quasar)是宇宙中最明亮的一类天体,也可能是迄今为止能够被检测到的最遥远的天体。这名字是“类恒星射电源天体”(quasi-stellar radio sources)的缩写,而且它们被认为是围绕黑洞涡旋的物质盘。)

题图由出版社提供

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