霍金“時間簡史”拉上帷幕 留下哪些理論遺產(chǎn)？

中新網(wǎng)3月14日電 2018年3月14日，物理學(xué)界一顆“巨星”隕落——被譽(yù)為繼愛因斯坦后，最杰出的理論物理學(xué)家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)，以76歲之齡與世長辭。

霍金的主要工作都集中于上世紀(jì)60年代末70年代初黑洞研究大發(fā)展時期，他的早期工作對引力與黑洞領(lǐng)域起到了非常大的促進(jìn)作用。

其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(fā)現(xiàn)象和無邊界的霍金宇宙模型。在統(tǒng)一20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論——愛因斯坦創(chuàng)立的相對論和普朗克創(chuàng)立的量子力學(xué)方面走出了重要一步。

在輪椅上度過了大半生的霍金，從未停止探索宇宙的腳步，他用超人的思維揭示了一個又一個宇宙的奧秘，也為人類對世界的認(rèn)識做出了許多重大推進(jìn)，留下許多重要的理論遺產(chǎn)。

1970年：引力坍塌和時空奇點(diǎn)

霍金在70年代研究愛因斯坦的引力理論，他發(fā)現(xiàn)在很一般的條件下，空間和時間一定存在奇點(diǎn)，時空似乎被無限彎曲。不過當(dāng)時還不清楚奇點(diǎn)是否真實(shí)存在。倫敦伯克貝克學(xué)院的羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)證實(shí)，奇點(diǎn)確實(shí)會在黑洞中形成。后來，彭羅斯和霍金將同樣的想法應(yīng)用到整個宇宙中，并表明愛因斯坦的理論預(yù)測我們在遙遠(yuǎn)過去的奇點(diǎn)，這就是宇宙大爆炸。霍金與彭羅斯一起證明了著名的奇性定理。

1971年：黑洞面積定理

1971年，霍金在不考慮量子效應(yīng)，宇宙監(jiān)督假設(shè)和強(qiáng)能量條件成立的前提下，證明了面積定理。在面積定理約束下，兩個等質(zhì)量黑洞合并，若面積不變可以放出約30%的黑洞能量。

1973年：霍金輻射理論

霍金稱自己通過計算得出結(jié)論，黑洞在形成過程中其質(zhì)量減少的同時，還不斷在以能量的形式向外界發(fā)出輻射，這就是著名的霍金輻射理論。該理論提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內(nèi)部物質(zhì)的任何信息，一旦這個黑洞濃縮并蒸發(fā)消失后，其中的所有信息就都隨之消失了，這便是所謂的“黑洞悖論”。這種說法與量子力學(xué)的相關(guān)理論出現(xiàn)相互矛盾之處。因?yàn)楝F(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)定這種物質(zhì)信息是永遠(yuǎn)不會完全消失的。

1974年：黑洞會爆炸

黑洞會發(fā)出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至?xí)ā?dāng)霍金于1974年做此預(yù)言時，整個科學(xué)界為之震動。霍金利用量子理論證明，黑洞應(yīng)該散發(fā)熱量并最終消失。當(dāng)黑洞的質(zhì)量越來越小時，它的溫度會越來越高。這樣，當(dāng)黑洞損失質(zhì)量時，它的溫度和發(fā)射率增加，因而它的質(zhì)量損失得更快。這種“霍金輻射”對大多數(shù)黑洞來說可以忽略不計，因?yàn)榇蠛诙摧椛涞谋容^慢，而小黑洞則以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。

1981年：無邊界宇宙學(xué)

霍金在1981年提出了一種既自洽又自足的無邊界宇宙學(xué)。在這個理論中，宇宙中的一切在原則上都可以單獨(dú)地由物理定律預(yù)言出來，而宇宙本身是從無中生有而來的(量子意義上)或者沒有起源(經(jīng)典意義上)。

1982年：量子波動

宇宙膨脹理論認(rèn)為，宇宙在誕生初期經(jīng)歷了一段驚人的膨脹期。1982年，霍金率先展示了量子波動——也就是物質(zhì)分布的微小變化——是如何通過膨脹引起宇宙中星系擴(kuò)散的。在這些微小的漣漪中，播下了我們所知道的恒星，行星和生命的種子。麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授馬克斯·泰格馬克說：“這是科學(xué)史上最美麗的想法之一。”

1988年：《時間簡史》

霍金給人類留下的流傳最廣的書籍莫過于《時間簡史》，首次出版于1988年。在該書里，霍金探究了已有宇宙理論中存在的未解決的沖突，并指出了把量子力學(xué)、熱動力學(xué)和廣義相對論統(tǒng)一起來存在的問題，該書的定位是讓那些對宇宙學(xué)有興趣的普通讀者了解他的理論和其中的數(shù)學(xué)原理。這本書成為全球科學(xué)著作的里程碑，它被翻譯成40種文字，暢銷全球。

1998年：“開放暴脹”理論

1998年，霍金和數(shù)學(xué)物理教授圖羅克修正了自己曾經(jīng)參與創(chuàng)立的宇宙大爆炸理論，第一次提出了“開放暴脹”理論。這一理論認(rèn)為，宇宙的最初模樣如同一個豌豆大小的物體，懸浮在一片沒有時間的真空里。“豌豆”狀的宇宙在大爆炸前的一瞬間內(nèi)經(jīng)歷了被成為“暴脹”的及其快速的膨脹過程，宇宙最終無限膨脹下去，而不是膨脹到一定程度就會在引力的作用下坍塌……

2015年：突破聆聽

2015年7月，霍金曾宣布啟動一項人類歷史上規(guī)模最大的外星智慧生命的搜索行動，名為“突破聆聽”(The Breakthrough Listen) 。這項行動將通過掃描宇宙的方式進(jìn)行搜尋，歷時10年，并將耗費(fèi)一億美金。

2016年：突破攝星

2016年，霍金和俄羅斯投資大亨尤里·米爾納共同啟動了“攝星計劃”，希望以五分之一的光速將飛行器送至半人馬座α星，以此讓星際航行變成現(xiàn)實(shí)，更好地了解宇宙，給科學(xué)和太空探索帶來革命性的變化。霍金還透露Facebook的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官馬克·扎克伯格也加入了該計劃的董事會，為“突破攝星”助一臂之力。

2018年3月14日，屬于霍金的“時間簡史”拉上了帷幕。這位物理學(xué)巨人的謝幕，讓整個世界為他悼念。

時間是否有長短？黑洞是否存在？外星人何時降臨？他留下許許多多仍未解決的問題，隱身于蒼茫的宇宙中，等待后人的探索。(完)