解读霍金——《黑洞不是黑的》

大家好,这次我做了一个解读霍金的专题,一是感谢他为人类做出卓越的贡献,二是对他的逝世表示惋惜。

首先我们先来了解一下他。史蒂芬·霍金于1942年1月8日出生在英国牛津,1959年进入牛津大学学习物理学,1962年进入剑桥大学攻读博士学位。1963年被诊断肌肉萎缩性侧索硬化症,从此坐上轮椅。1965年和简·王尔德结婚。霍金一生研究物理学,被评为物理学教授,他的很多论文和作品获得各项物理学奖。1985年首次访问中国并做了演讲。1988年出版《时间简史》,这部作品畅销几千万册,至今仍然排在科普书类榜首。他对天体物理学的研究对于我们人类认识宇宙有着开创者的作用,他的成就足以支撑人类对高阶文明的探索。遗憾的是霍金于2018年3月14日与世长辞,他的离去会使我们探索宇宙的时间延长,我们缅怀这位伟大的物理学家。他的作品我会一一解读。

今天给大家解读的书是史蒂芬·霍金的《黑洞不是黑的》,这本小书是霍金的两次演讲的文录,正好我们也分成两个部分。

图片发自简书App

第一部分:2016年BBC 里斯讲座《黑洞没有毛吗》

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能体现这点了。我们对黑洞都略有耳闻,听的最多的就是它很怪异,它能吸进去很多东西,一旦被它吸进去就再也别想出来了。

那么黑洞是怎么形成的呢?我们都知道恒星发光发热的原理,(因为我们所处在太阳系中,所以说起恒星来就拿太阳为基准,说起行星来就拿地球为基准)恒星的中心积聚着大量氢原子,在高温高压的环境下氢原子核聚变反应生成氦原子,并释放大量的能量从恒星的中心向表面扩张,这个扩张力与恒星表面受到核心的引力相互作用达到平衡,从而维持恒星的形态。经过几十亿上百亿年恒星内部的燃料燃烧殆尽,中心核聚变反应所释放的扩张力不足以支撑表面受到核心的引力作用时,表面就会向中心无限塌缩,最终形成致密天体。像太阳这样的恒星死亡后会塌缩成白矮星,如果某恒星的质量是太阳质量的3.2倍以上时,就会变成黑洞。黑洞并不是一个洞,它仍是一个球体,只不过密度无限大,引力无限大,大到连光都无法从它的表面逃离,所以我们看它是黑色的。

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像这样恒星无限塌缩成一个点,我们称它为奇点。对于这个奇点,所有的物理学定律都失效。这也是黑洞为什么这么怪异,让人琢磨不透。我们看不到黑洞里面发生了什么,我们能测量的只是它的总质量、旋转的状态和电荷,这就是“黑洞无毛”理论。在苍茫的宇宙中,黑洞有无数多,而且科学证明,每个大型星系的中心都有一个超大质量黑洞。我们的银河系中心的黑洞质量是太阳质量的400万倍。根据爱因斯坦的广义相对论,大质量的物体都会扭曲时空,黑洞也不例外,在黑洞的周边,时间会变慢,空间也会扭曲。

光是宇宙中速度最快的,可是连光都不能从黑洞表面逃逸,这就引发我们一个思考,我们要离黑洞多远才不会被它吸进去呢?事实证明黑洞的引力也是有边界的,称为事件视界,如果你越过了视界,那么一切将无力回天,组成你身体的每一个粒子,根据量子理论每一个最小的粒子都会无规则的分布在黑洞上,组成物质的“信息”可能会丢失。

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第二部分:2016年BBC 里斯讲座《黑洞并不像想象的那么黑》

被黑洞吞噬的一切物体都被强大的引力撕碎,细碎到量子力学所说的极小空间下的极小粒子,这种状态下的粒子的运动速度和位置完全是随机的,是混乱无序的,就像热力学中所说的“熵”。从一般的原理能预料到,黑洞会有一个非零的温度,这意味着黑洞将会发出热辐射,就像一块炽热的金属发光一样。但众所周知黑洞中不可能有任何东西逃逸出来。直到1974年霍金利用量子力学研究黑洞临近的粒子行为时才发现黑洞似乎是在以稳定的速率发射粒子。飞离的粒子的谱是精确的热性的,正如霍金的预言,黑洞会产生并发射粒子和辐射,并与其本身质量成正比,该理论被称为“霍金辐射”。

那么,这些飞离的粒子是如何产生的呢?霍金指出,根据量子力学理论,整个空间充满了虚粒子和虚反粒子组成的虚粒子对,它们不断在空间中成对地成为实体,分离,然后再次碰撞并相互湮灭。这些粒子之所以称作“虚的”,那是因为不像实粒子那样,不能用检测器直接观察到它们,只是测量到了它们的间接效应。

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在黑洞的边缘,这些虚粒子对中的一个被吸进黑洞,另一个无法配对湮灭而逃逸了出来,这样的粒子就作为从黑洞发射出的辐射而出现了。这就正好印证了本书的书名,黑洞不是黑的。

那么,我们再进一步研究,被吸进黑洞中的物质到底呈现了什么状态?黑洞无限大的引力把物质撕碎成微观粒子状态,这些粒子根据“熵”理论呈现无序无规则状态。根据沃纳·海森伯提出的不确定性原理,我们对粒子的位置和速度是测不准的,因为测量这件事本身就会影响粒子的位置和速度,这也是量子力学的核心。所以我们根本无法预言未来。我们宇宙中的万物只不过是微观粒子按照无数种排序规则中,随机选择一种排序而已。也就是说也许存在许多不同的可能的历史,每种历史都有其发生的概率,而非一个单独的历史。

这就说明了被吸进黑洞中的物质的“信息”其实并没有消失,黑洞有可能发射出任何一堆粒子,这堆粒子有可能正好组成一台电视机,一个人,或者一部莎士比亚全集,只不过这个概率极度小而已。

霍金是将量子力学引入天体物理学的先驱,这个卓越的贡献是人类的里程碑。

好了,今天的解读就到这里了,我来说说我个人的体会吧:

(1)在这个苍茫的宇宙里真的无奇不有,我们要保持开放的心态,在各个维度上刷新我们的认知,总不会在出现怪异事物的时候惊掉下巴;

(2)拿我们人类来说,每一个个体都是无数微观粒子随机排列组合而成,我们都是独一无二的,所以我要活出个性,活出不同的精彩。

谢谢。

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