黑洞會像阿斯匹靈一樣溶解:霍金如何改變物理學

作者 | 發布日期 2018 年 03 月 15 日 11:48 | 分類 天文 , 科技教育 , 自然科學 follow us in feedly

當史蒂芬‧霍金在 1970 年代中期假設黑洞會發散輻射,最終將如同阿斯匹靈緩慢溶解在水中一樣消失時,他推翻了當代宇宙核心宗旨;如果你還在疑惑誰能用如此簡單易懂的言語向大眾解釋複雜宇宙理論的,那就是霍金,一個精神超越肉體侷限的偉大物理學家。



愛因斯坦在 1915 年發表廣義相對論,一舉將統領 17~19 世紀的牛頓古典力學與近代物理劃出分界線,推翻牛頓的絕對時間觀,愛因斯坦並預測了黑洞的存在,認為它們將吞噬包括光線在內的所有物體。

廣義相對論發表一個月後,德國天文學家卡爾‧史瓦西即得到愛因斯坦場方程式的精確解,能夠對點質量與球形質量所產生的重力場給出描述,這包括史瓦西度規和史瓦西半徑等概念。該精確解算出,如果某天體全部質量都壓縮到很小的「重力半徑」範圍之內,所有物質、能量(包括光線)都被重力囚禁在內,從外界看,這天體就是絕對黑暗的存在,也就是黑洞。

而愛因斯坦逝世那年,霍金還只是個 13 歲少年,但也就是這位少年,在往後日子向愛因斯坦提出質疑:黑洞並非只進不出,反而會輻射粒子出來。過程中,霍金大膽觸及了物理學家最頭痛的問題,也是愛因斯坦最不愛踏進的量子領域。

1974 年,霍金提出了有名的霍金輻射(Hawking radiation,註),該理論能說明黑洞質量如何降低而導致黑洞蒸散現象。這裡,霍金最重要的科學遺產在於他淺顯風趣的解釋:黑洞就像慢慢溶解在水中的阿斯匹靈。

霍金也是第一個將常起衝突的廣義相對論與量子力學聯繫在一起的人,愛因斯坦說過:「上帝不擲骰子」,而霍金則相信「上帝不但擲骰子,祂還把骰子擲到我們看不見的地方去」。之後,嘗試結合廣義相對論與量子力學成為熱門研究方向,當前主流嘗試理論如超弦理論、迴圈量子重力理論等。

雖然到目前為止科學家都還沒有實際觀察到霍金輻射,致使霍金與諾貝爾獎無緣,但就像愛因斯坦在世時預言了重力波的存在,也許未來某天人們也會發現霍金輻射。

除了黑洞,霍金更探討起宇宙起源,以奇點對起始宇宙進行理論推理。在同事朋友眼中,霍金是幽默的,也是固執的,每個人都知道霍金在宇宙學方面的輝煌成就,但甚少人能理解他無遠弗屆的思想,甚至一流天文學家也不能。最重要的是,霍金為科學添加了無數生動表情,幾乎無法衡量他對大眾科學普及的貢獻,世人對霍金致上的最高評價是「上帝的思想」。

註:霍金輻射(Hawking radiation)是以量子效應理論推測出的一種由黑體散發出來的熱輻射。

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(首圖來源:Flickr/Lwp Kommunikáció CC BY 2.0)

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