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世间再无霍金 时间永留简史
发布日期:2018-03-27
分类:最新公告

是因为他年纪轻轻就身患渐冻症却还依然坚守在科研前线的不屈精神?

他那副来去自如还能发出机器人嗓音的神奇轮椅?

还是他曾在《辛普森一家》、《星际迷航》、《生活大爆炸》等著名影视作品中犀利的客串?

还是那本《时间简史》??

这一切,这可能都是不少常人对霍金的了解,

然而,

这一切,似乎都太浅显片面了……

 

那么,霍金的学术成就呢?

是他发现了黑洞么?还是他创立了大爆炸理论?又或是他告诉了我们时间的真正意义?

不,他没有发现黑洞,大爆炸理论最初也不是他创立的,他也没告诉我们时间真正的定义...

有人认为他在现代物理学的研究进展中发挥了举足轻重无可替代的作用,世界欠他一个诺贝尔奖。也有人觉得,他其实名不副实.....

 

然而他仍然是一个伟大的物理学家,

我想借这篇文章的机会,给大家慢慢解释一下,

霍金,缘何伟大。 

这篇文章的一切,

都要从我们该用什么理论解释这个世界的一切说起.....

 

我们要怎么解释这个世界上发生的一切?

一切的发生都是为什么?

古代的哲学家和物理学家们,其实一直在尝试解释这个问题。

在这样的环境里,我们对于世界的问题分成了两类:

1. 能解释的;

2. 不能解释的

 

我们通过自己的想法去解释生活中发生的各种现象。 

而不能解释的那些,通常会归于哲学或者神秘主义。

在早期的年代,物理学在人类的知识体系中一片混沌。甚至都没能独立成为“物理”这门学说。 

 

在上千年前的那个年代里,了解这个世界,解释这个世界,我们依靠的,是实验。 

我们也在不同的实验中,不断修正着我们对世界的理解和认知。

 

公元前300多年,亚里士多德通过观察羽毛等轻的物体和石头等重的物体的下落的不同速度,得出了 “物体下落速度和重量成正比例”  的理论结果...

这样的理论统治了西方世界1900多年,在教会势力的支持下,没有人敢对此提出疑问。

直到16世纪,出现了一个敢于反对的人。 

他,叫伽利略。 

 

在那个斜塔上,他做出了一重,一轻两个铁球同时落地的实验。

用实验告诉了我们,亚里士多德这统治了世界1900多年的理论是错误的....

这便是我们早期的物理学家了解这个世界的一种实验方法:通过观察现象和自己实验现象来解释世界的实验物理学。

 

伽利略、开普勒、惠更斯....  

在这个年代里,有一批又一批的科学家,把他们观察的目标对准了宇宙。 尝试通过对宇宙的观察,尝试解释天体的运行,解释更多的天文现象。各自都有了各自的一套理论进展。 

然而,

这样的物理,是有局限的。

我们观察到的范围很有限,我们能实验的范围也很有限。

通过观察和实验,我们解决了很多“是或者不是”,“有或者无”之类定性的问题。 却解决不了很多“有多少”之类定量的问题....

 

直到那一天,

一个人横空出世,

他叫牛顿。 

 

 

F = m a 

这可能是我们初中物理学过的一个最简单的公式。 这可能确是那个年代最伟大的一个突破....

他的伟大不但在于他试验和总结得出了这个公式,更关键在于他认为f=ma适用于世界上的所有物体。   

小到一个苹果,皮球。 大到宇宙的太阳,和星系...  

这一切事物的运行,都可以用一个最简单的公式F=ma来解释...

 

在F=ma之上,牛顿用数学和各种公式设立了一整套物理体系,他把力,速度,加速度,能量,动量等等各种概念都严格的定义了出来,用数学的方式找到了它们之间的关系...

牛顿还通过了大量实验,证明了任何两物体之间都存在着吸引力,总结出了万有引力定律。

人们第一次发现,世界上的很多东西,用牛顿的这套理论可以精确的计算出来了。 我们可以不用实验就算出一个东西大概能有多快。 它未来的状态会怎么改变。 甚至是天体的轨道都可以精确计算出来。 

牛顿的这套体系,不但解决了“有或者无”的问题,更是进一步解决了“有多少”的问题。

 

而牛顿的这套理论,被称为——经典物理学。 

一旦有了这些规律,我们才能在这个的基础上,进一步去探索物理的世界。 这引发了17世纪在天文学和力学领域中的一整个科学革命。经过18世纪近1个世纪的准备和研究。 物理学又在19世纪得到了重要的发展。

终于,在19世纪末。 我们建立起了经典力学、热力学、统计物理学、经典电磁场理论....  我们对这个世界的理解,在当时达到了它的顶峰。

 

然而,

随着我们对这个世界了解的不断深入...

科学家们发现了问题....

在很多领域,牛顿的经典物理学,在一些地方,不对了!解释不了他们发现的现象了!

 

出现偏差的部分,主要来自极大和极小的两端,....

当研究物体的性质极大,比如速度极其快,或者能量极其大等等的时候,

又或者是当研究物体的尺度极其小,小到原子级别的时候...

牛顿的经典物理体系都不再适用...

 

一个最简单的例子,在牛顿的体系里,如果加速度保持不变,那物体的速度应该会达到无穷大... 可是现实世界里,为什么我们没有能找到任何一个物体的速度能突破光速?  为什么光速成为了万物的速度极限?

为了解释这两端的现象,

两个截然不同的科学体系出现了.... 

那就是解释宏观(也就是极大)体系的爱因斯坦的相对论... 

以及解释微观(也就是极小)体系的普朗克的量子力学。 

 

我们先说说相对论吧。

1910年,爱因斯坦的相对论横空出世。

爱因斯坦用另外一种体系解释了我们的这个宇宙。

就拿地球为什么会绕着太阳运转举例——

牛顿认为,在巨大的物体附近,存在着一种“力场”。这种力场就像磁场一样,对其中的其他物质有吸引力。 正如同太阳吸引着地球,地球吸引着月球,甚至地球吸引着那个苹果....

 

牛顿并不知道巨大物体之间的这个力究竟是什么,但是通过这理论确实计算出了各种天体的运行..

而爱因斯坦的相对论认为,引力不像牛顿所说的“是物质在空间中产生的力场”那么简单,

引力本身就是时空的一部分,是时空的几何属性。

当物体的质量大到一定程度,其附近的空间就会产生扭曲,从而改变周边一切物体的运动模式。比如地球绕着太阳转,卫星绕着地球转……

 

太阳的质量导致了周边时空的凹陷,而地球就在这样扭曲的时空之中运转..

在相对论的解释下,物体之间的互相吸引,这好像在橡胶垫子上隔开些距离放两个球,当球附近的橡胶开始凹陷,球就开始沿着凹陷转动、互相接近....

而行星围绕恒星的运行, 就好像下面这样,中间的大质量就是太阳,而周边环绕运行的,就是地球和其他行星....

在这样的相对论体系下,

我们终于讲到了这个关乎于霍金的一生学术理论的概念:

黑洞。 

 

根据爱因斯坦的广义相对论的理论,科学家推断出了一个在当时看来近乎天方夜谭的观点:

如果有一个质量极大的恒星,它自身产生的重力也无比巨大,最终恒星必定会因为不堪自身重负而坍缩成一个密度和曲率都无穷大、体积无穷小的点...

在这个点的周边,会创造出一片引力极强质量极大、连光都无法逃出的特殊区域。

在时空的维度上,就像一个无比深凹的洞....

科学界给了一个简单的名词:黑洞。

 

黑洞这个概念在如今的我们看来,似乎已经算是寻常,

但在当时,许多物理学家都对其存在抱有深深的怀疑,他们觉得中间聚成一个点的假设太过大胆直接,恒星在坍缩过程中肯定会受到其他不可知的外界干扰,无法在最后真正形成奇点。

因此,这个假设也就慢慢被束之高阁,无人问津了....

 

直到1959年,当时其他的物理学家们开始想要深入研究黑洞的相关理论....

也正是那一年,

霍金进入牛津大学,他那时年仅17岁,比大多数其它学生都年轻,却有着超群智力和惊人的学习能力。

 

他的物理导师后来称赞,霍金是他所教导的学生中最具有聪明才智的一位,“他只需要知道某个问题有答案,不需要查看其他人怎样解答,他都可以给出答案”。

不过,虽然有着过人的天资,那时的霍金却并没能沉下心来研究学术,最初一年半,他总是觉得无聊寂寞,因为学校功课“简单到令人发笑”,甚至连书都读得很少。

拿到本科学位之后,霍金进一步开始了博士的学习...1962年,霍金如愿进入剑桥大学。 他的导师,是天文学家丹尼斯夏玛。

而他最感兴趣的课题, 就是广义相对论和黑洞。

 

在此期间他被诊断出了渐冻症,医生说他余下的寿命可能不足两年。

身体的虚弱加之情绪的压力,霍金开始对学业产生了怀疑,认为命不久矣,不再有继续攻读博士学位的必要。

好在,医生作出的“活不过两年”的预测并没有实现,

在导师夏玛的鼓励下,他重新一点点拾起了学业,并对广义相对论和黑洞产生了无比浓厚的兴趣,提出了一些初见雏形的独到见解。

 

巧的是,也正是在霍金经历人生大起大落的这段时间,

被尘封已久的黑洞中心是个奇点概念,一次又一次被各国物理学家所提起。 

 

霍金从前人这些理论中得到启发,进行了大量严谨复杂的数学推演计算...

在他未来的学术生涯里,他的理论主要解释了两大问题:

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