纪念史蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking):霍金学术研究(66年-74年)

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学术生涯-1966年–1974年

应用先前彭罗斯研究奇点时所发展出来的数学技巧,霍金团队获得很多关于大爆炸的存在与物理行为的重要结果。霍金与乔治·艾利斯于1968年发现,宇宙背景辐射的存在证实宇宙的确曾经发生过大爆炸。霍金与罗柏特·哲洛奇、彭罗斯合作将奇性定理加以延伸;他们表明,宇宙必须有一个初始奇点,时间与空间就是从这初始奇点开始演化。霍金与彭罗斯合作撰写关于最初时间的论文荣获1968年引力研究基金竞赛第二名。

隔年,霍金得到冈维尔与凯斯学院特别设立的“科学卓越贡献奖学金”,提供他在凯斯学院做六年研究的薪资。

1970年,霍金与彭罗斯共同发表论文证明,假若宇宙遵守广义相对论,并且含有足够多的物质(如同现今观察到的数量),则它必定起始于大爆炸奇点 。

64-65来年,霍金发表的论文《黑洞》赢得引力研究基金竞赛第一名。

霍金与艾利斯共同撰著的《时空的大尺度结构》于1973年出版,这是霍金的第一本著作,现已成为经典文品,主要是探讨时空的基础结构,从粒子物理学尺度10-13cm到宇宙学尺度1028cm,应用微分几何来检试广义相对论的两个后果,第一个后果是恒星坍缩后形成黑洞与其所含有的奇点,第二个后果则是在宇宙初始时奇点的存在。

在对于奇点的研究告一段落之后,霍金开始转移焦点,开始研究黑洞。1971年,他发表了三篇重要论文。第一篇论文指出,宇宙可能存在一种崭新种类的物体,称为原生黑洞,是在大爆炸的最早时刻经过高温与高压制成的微观黑洞。

第二篇论文部分证明了无毛定理,不论黑洞是怎样形成的,它只具有三种性质:质量、角动量、电荷。

第三篇论文阐明,黑洞的事件视界表面面积永不会减少,两个黑洞合并后的表面面积不会小于原先两个表面面积之和,这发现后来被命名为黑洞热力学第二定律。

因为任何粒子都无法从黑洞表面逃逸出去,所以黑洞的质量只能增加,不能减少;又由于黑洞的事件视界表面面积是决定于它的质量,所以表面面积也只能增加,不能减少。根据热力学第二定律,孤立系统自发地朝着热力学最大熵状态的方向演化。霍金认为,黑洞表面面积的增加很像熵的增加,不过这只是个类比。

但是,约翰·惠勒的研究生雅各布·贝肯斯坦坚持主张,黑洞的表面面积可以用来量度熵;假若将一堆含有熵的物质丢入黑洞,则黑洞的熵必定增加,这会从黑洞的质量增加反映出来。霍金觉得贝肯斯坦的主张有误,假若黑洞具有熵,则必定可以测量出它的温度,它会辐射出能量,但是没有任何粒子可以从黑洞内部逃逸出去!1972-1973年间,霍金又与杰姆斯‧巴丁、布兰登‧卡特合作提出四条黑洞热力学定律。这些定律的形式看起来很像热力学定律。但是霍金强烈声明,黑洞不能辐射出任何能量,因此黑洞不具有熵。

《时空的大尺度结构》成功出版后,霍金开始专注研究量子引力──量子力学与广义相对论的结合。[9]:39俄国物理学者雅可夫·泽尔多维奇与艾利西‧斯塔宾斯基从不确定性原理推断出旋转中的黑洞会发射粒子,这些粒子是在事件视界外的邻近区域由黑洞的旋转能制成,因此会消耗黑洞的旋转能,直到黑洞不再旋转为止。

霍金对于这研究觉得很好奇,因此,霍金与好友基普·索恩一起去俄国拜访泽尔多维奇与斯塔宾斯基,希望更多地了解他们的想法,索恩与俄国物理学者在过去五年间共同进行学术研究,在那里建立了丰富的人脉关系。会谈之后,霍金觉得俄国学者的数学方法稍显粗糙,他可以给出更好的结果,可是,经过仔细计算,他发现了一个令人惊讶的结果,不仅是旋转中的黑洞,甚至连静止的黑洞也会持续发射粒子,其能谱符合热力学黑体辐射的物理性质。这结果与黑洞热力学第二定律相互矛盾,并且支持贝肯斯坦关于熵的推论。

1974年,霍金在牛津大学卢瑟福-阿普顿实验室举行的第二次量子引力会议发表论文《黑洞爆炸?》。

在这篇论文里,他详述,在事件视界外的邻近区域会出现很多虚粒子对,每一对虚粒子都是由一个正能量粒子和一个负能量粒子组成,总能量为零,通常,这些虚粒子对在出现后的短暂片刻会相互湮灭,为了满足不确定性原理,但是,假若在湮灭前,负能量粒子穿越过事件视界,则它可以在黑洞内生存,而正能量粒子也可以逃逸至无穷远,因此,能量会被辐射出去,黑洞质量会逐渐减小,这就是宏观黑洞发射辐射的机制。对于宏观黑洞,辐射率与质量呈反比,由于宇宙微波背景辐射的干扰,很难观测到这种称为霍金辐射的现象。例如,一个质量为太阳质量(1030kg)的黑洞,其霍金辐射温度为10-7K,远远低于宇宙微波背景温度(2.7K)。黑洞的寿命与质量的三次方成正比,假设黑洞质量为1012kg,则其寿命大约为宇宙年龄1010年,假设这黑洞是形成于宇宙初期的原生黑洞,则它应该会在近期“蒸发”(黑洞蒸发),温度大约为1011K,辐射出大量伽马射线,但是比伽马射线暴的光度低很多,虽然这类稀有事件大概只能发生在太阳系内才可被观察到,但这确实是一种可观察到的事件,尽管至今为止尚未有科学家真正观测到这类事件。

这篇论文立刻震惊了整个宇宙学界。泽尔多维奇起初持保留态度,但经过严格检查后不能不承认霍金是对的。教授夏玛称赞,“这是物理学里史上最美丽的论文之一!”最令人佩服的是,霍金的计算大部分是在他的脑袋内部完成,霍金谦虚地解释,“大多数人错误地以为数学只是方程而已,实际而言,方程只是数学的乏味部分,我试图以几何来看问题。”

该年3月,霍金。1974年,加州理工学院聘请他为谢尔曼‧费尔柴尔德杰出访问教授,除了优渥的薪资、住房、车子、孩童教育以外,他还获得了一辆电轮椅与所有医疗需要。同年,他当选为英国皇家学会院士,年龄才32岁,是最年轻的院士之一。虽然霍金发表的这篇论文极具争议性,到了70年代末期,经过更进一步研究与论述,这理论物理学的突破终于被学术界广泛接受。


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