霍金假说?

打工就业2023-10-13 08:04:37admin2

霍金的第一大理论便是“奇点定理”。1965年,当时博士还没毕业的霍金准备找一个博士论文题目,结果他看到了英国物理学家罗杰-彭罗斯发表的一篇关于黑洞的论文。黑洞是一种引力极大的天体,引力大到连光都无法逃脱,研究认为,大质量恒星在生命的尽头,恒星内核会因为引力而坍缩,发生超新星爆发,所残留的部分便是黑洞。黑洞的表面被称为“事件视界”,掉入事件视界以内的任何物质都无法逃离出来。同时,这些物质或光会被强大的引力压缩到位于黑洞中心的、密度无穷大的一个点,这个点被称为“奇点”。令人难以理解的是,一切已知的物理理论在奇点处都会失效,其中也包括相对论。于是科学家猜测,实际上可能并不存在所谓的奇点。不过彭罗斯却在这篇论文中严密地证明:一旦形成事件视界,在视界内部必然会产生一个奇点。



博士时代的霍金



彭罗斯


读了彭罗斯的论文后,霍金敏锐地意识到,如果时间反演的话,那么彭罗斯的证明其实也同样适用于宇宙的开始。我们知道,现在的宇宙依然在不断膨胀,如果时间能够倒流的话,那么可以想象,现在的宇宙会不断缩小,最终坍缩为一个密度无穷大的点。就这样,通过将时间反演,霍金从数学上证明了,根据广义相对论,宇宙诞生时也必然存在一个奇点,这就是奇点定理。


是不是感觉太简单了,别慌,霍金的第二大理论我估计你就听不懂了,因为我压根就说不明白,这就是“无边界假说”。刚才说到,如果只是根据广义相对论考虑的话,那么宇宙必定诞生于一个奇点,虽然证明没什么问题,但是奇点的存在却给物理学家带来了无尽的烦恼,原因就在于在奇点处,广义相对论会失效,也就是说,我们永远也无法弄清楚在宇宙诞生的瞬间到底发生了什么。那么该怎么办呢?霍金想到了量子论。量子论研究的是微观物理世界的基本规律,而奇点正是这样一个极其微小的点,于是,霍金深入贯彻落实将量子论与广义相对论结合起来的指导方针,开展了有关宇宙起源的研究。


根据量子论,微观粒子具有类似波的性质,这种粒子的状态就是所谓的“波函数”。霍金利用波函数表示坍缩成极其微小的宇宙整体,从而研究了宇宙的规律。利用波函数来研究宇宙规律,有一个前提,那就是首先必须确定波的另一端,也就是宇宙的另一端是怎样的,而在这里,宇宙的边界便是指宇宙的开始。于是,霍金提出了一个具有划时代意义的猜想,他认为,宇宙的边界条件就是宇宙没有边界,这样一来,就可以去除掉宇宙诞生时所必须存在的奇点。


好了问题来了,宇宙没有边界这句话到底是什么意思呢?霍金认为,宇宙之初流逝的并不是普通的时间,而是虚数时间。我们知道,虚数的平方是负数,当然了虽然我们了解这一点,但虚数时间是什么却说不清,总之,如果是这种特殊时间的话,那么就没有时间与空间的区别,也就无从得知到底哪里是边界,这就是无边界假说。霍金认为,宇宙始于时间与空间没有任何区别的状态,当普通的时间,也就是实数时间在某一时刻开始流逝之后,宇宙才开始了急剧膨胀,并最终形成了我们今天的宇宙。是不是没听懂,没听懂那就对了,我都不知道我刚才说了什么。没听懂也不要紧,你反复仔细琢磨几次,琢磨琢磨就睡着了。


霍金的第三大理论便是大名鼎鼎的“霍金辐射”。前面说过,按照过去的理论,物质一旦掉入黑洞,就再也无法逃逸出来。所以人们都认为,黑洞的质量只能不断增加,它的欲望是无穷的。不过霍金却认为,如果应用量子论的话,黑洞有可能释放出光子等各种粒子而丧失质量,就像一杯水一样,最终它会蒸发消失。那么为什么会这样呢?还得靠量子论来解释。


量子论认为,宇宙空间中并非空无一物,即便是在去除所有物质与电磁波的真真空中,也蕴藏着巨大的能量,而且能量还在不断地涨落。如果在基本粒子水平的微观尺度上观察真空的话,粒子借助于能量涨落,时时刻刻都在成对地生成与成对地湮灭。


而在黑洞表面附近,同样的事情自然也在发生。不过情况还稍有不同,那就是粒子对中的一个会进入事件视界的内侧,并不断地坠向黑洞的中心,此时的它就再也无法与它的相遇了。这样一来,剩下的一个粒子就会失去湮灭的对象,于是这哥们就向黑洞外侧逃逸,看上去就像是黑洞向外发射粒子,这就是所谓的“霍金辐射”。



霍金辐射


此时,坠入事件视界内的粒子由于受到巨大引力的影响而获得“负能量”,剩下的另一个粒子则获得正能量。根据质能方程,能量与质量在本质上是相同的,是可以相互转换的,所以,吞噬了携带负能量粒子的黑洞就会减少相应的质量,一点点地将自己蚕食殆尽。

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