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黑洞是什么?霍金到底做了什么?15分鐘講清楚!

北京時間3月31日晚21點(當(dāng)?shù)貢r間下午2點),霍金的葬禮在英國劍橋大學(xué)大圣瑪麗教堂舉行。教堂距離霍金工作了52年的岡維爾與凱斯學(xué)院只有很短的距離。

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霍金3月14日去世就引起了全世界的波動,中國媒體也紛紛報道。

有人看了很生氣。意思是中國人都是外國狗,一個老外死了,跟死了爹似的。

更有人說霍金有啥牛的,連個諾貝爾物理學(xué)獎都沒拿。

還有人說,中國人就是這么差勁,往死里表揚沒得諾貝爾物理學(xué)獎的外國人霍金,卻天天罵得了諾貝爾物理學(xué)獎的中國人楊振寧。

當(dāng)然,這都是狹隘民族主義在作怪。

那么,什么是狹隘民族主義?

狹隘民族主義就是只有本民族的好,別的民族的都不好,好也不能說,天下本民族第一。

可以先解釋一下為什么有那么多人對霍金敬重,而對楊振寧鄙視。

其實這種態(tài)度和兩個人物理學(xué)家的身份不相干。

從人生的角度講,霍金是個弱者,因為他從21歲開始就是個病人,并失去了一個正常人的基本能力,肌肉萎縮不能行動,并且失去了聽力。而楊振寧是個強(qiáng)者,八九十了身體一直健康。

而弱者霍金卻能保持樂觀積極的人生態(tài)度,并把這種樂觀投入到了宇宙科學(xué)研究之中,還寫出了《時間簡史》這樣科普讀物,這部作品拉近了他與平常的人關(guān)系。

強(qiáng)者楊振寧和李政道發(fā)明了宇稱不守恒定律,這個定律也影響了全世界人的生活,沒有這個定律就沒有今天的微波爐、電磁爐以及數(shù)字通訊??梢哉f,在現(xiàn)實物理學(xué)中李政道和楊振寧的貢獻(xiàn)要比霍金大。但楊振寧所表現(xiàn)出的生活態(tài)度卻與霍金不同,一般定義為太功利,太物質(zhì)。

其實這很好理解,霍金作為一個非正常人已經(jīng)失去了享受正常生活的能力,而楊振寧有,不宜在道德上做過多的評判。

還有一個更簡單的道理,霍金沒花中國人的錢,楊振寧花了。

中國人對楊的推崇或不敬也都來自狹隘民族主義,推崇他因為他是中國人,不敬他因為他曾不是中國人。

對楊兩極的態(tài)度是狹隘民族主義在一個人身上集中的體現(xiàn)。

不能用民族或國家的觀念看待這兩個人,這兩個人都是屬于全人類的物理學(xué)家。

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霍金的名頭是物理學(xué)家、宇宙學(xué)家?;艚鹨簧铝ρ芯康氖怯钪嫖锢韺W(xué)。

那么什么是宇宙呢?

西漢皇族淮南王劉安及其門客集體編寫的一部哲學(xué)著作叫《淮南子》,《淮南子·齊俗》曰:“往古來今謂之宙,四方上下謂之宇?!?/p>

也就是說宇是空間,并且是無限大的空間;宙是時間,是無限長的時間。

在更早的時候,春秋時的《莊子·庚桑楚》中曰:“有實(能見到的)而無乎處(無邊的)者,宇也。有長而無本(開始)剽(末梢)者,宙也?!?/p>

意思是能見到的又沒有邊界的是宇,有長度而又沒有開始和結(jié)束的叫宙。

這說明中國古人就建立了時空觀。

時空觀,指的是關(guān)于時間和空間的根本觀點。

最基本的觀點就是空間無限大,時間無限長。

在西方,古希臘德謨克利特認(rèn)為空間是物質(zhì)運動的條件,沒有了空間物質(zhì)就沒法運動。亞里士多德用“地點”概念來表示空間,并認(rèn)為時間是連續(xù)的。

近代的時空觀是在自然科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的,哥白尼的“地動說”為唯物主義時空觀的形成創(chuàng)造了條件,也就是時間是地球繞著太陽轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。

布魯諾、伽利略主張時間、空間是物質(zhì)存在的絕對形式,也就是物質(zhì)的存在需要空間和時間兩個條件,并提出時空無限的思想,這和中國古代人的認(rèn)識相同。

十六世紀(jì)法國哲學(xué)家、物理學(xué)家笛卡爾指出時間的特性是持續(xù)性,空間的特性是廣延性。

到了十八世紀(jì),牛頓提出了“絕對時間”、“絕對空間”的觀點,系統(tǒng)地闡發(fā)了機(jī)械唯物主義的時空觀,也叫經(jīng)典時空觀。是把時間空間看成物質(zhì)存在及轉(zhuǎn)化的框架,不同的參考系用同一個時間和空間的基準(zhǔn)。是物質(zhì)、時間與空間都無關(guān)的時空觀,意思是時間空間都是不變的。

后來很多物理學(xué)家對經(jīng)典時空觀產(chǎn)生疑問,意思是時間和空間在不同的體系中是不是一樣的呢?也就是中國人所說的天上一天,地下一年這種說法成不成立。

1905年愛因斯坦發(fā)表的題為 《論動體的電動力學(xué)》一文中提出的區(qū)別于牛頓時空觀的新的平直時空理論,也就是狹義相對論。

什么是狹義?“狹義”表示它只適用于慣性參考系。也就是說在同一慣性參照體系中,時間和空間是不變的。原因是光速不變。

狹義相對論打破了牛頓對于時間和空間都是不變的絕對時空理論,意思是在一個慣性參考中可以不變,但在不同的慣性參考系中不一定,我們不知道。

后來愛因斯坦又提出了廣義相對論,廣義相對論引入了一個概念叫引力場理論,該理論認(rèn)為引力是由空間——時間彎曲的幾何效應(yīng)的畸變引起的,因而引力場影響時間和距離的測量。

不是很好理解。

比如一杯水,靜止時水面是平的,如果轉(zhuǎn)動它水面就是彎的,轉(zhuǎn)動需要時間,這個效應(yīng)就會產(chǎn)生引力,也就是我們所說的漩渦。愛因斯坦認(rèn)為這是時間和空間彎曲的結(jié)果。

空間的彎曲能看到,但時間的彎曲是看不到的。愛因斯坦說光從太陽照到地球上的線不是直的,是弧形的,也就是說時間是可以彎曲的。

因為這個理論如果成立,時間和空間就不是絕對不變的,是相對不變的,這與牛頓的絕對時空觀相背離。

牛頓是英國人,英國人不服,在海上用船進(jìn)行測量,一只船在光直線投射到的點上,一只船在光弧線投射到的點上,太陽出來的時候,英國人很失望,陽光投射到了弧線點的船上。

愛因斯坦的廣義相對論只是個假說,但英國人用強(qiáng)大的航海能力證明了這個假說,幫愛因斯坦打敗了本國的科學(xué)家牛頓,愛因斯坦因此得了諾貝爾物理學(xué)獎。

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物理學(xué)家在研究物理現(xiàn)象的時候,先通過數(shù)學(xué)的方式進(jìn)行計算,主要是按條件列方程。愛因斯坦把引起時空變化的引力場理論用一個非常復(fù)雜的方程來表現(xiàn),但他沒有求出這個方程的結(jié)。他運用了很多近似方法,從引力場方程得出了最初的預(yù)言。

這個預(yù)言是一個天體的半徑足夠小,質(zhì)量足夠大,引力就十分大,大到不可想象。

這個天體就叫黑洞。像一個吸引力具大的黑洞一樣把所有都吸進(jìn)去,包括光。

后來,德國物理學(xué)家史瓦西把愛因斯坦的那個方程給解了,求出了一個準(zhǔn)確的解——史瓦西半徑。按這個半徑計算地球的半徑小到1厘米,而質(zhì)量不變的情況下,它的引力就能達(dá)到光都射不出去的程度。

但這個解并沒有解決時空彎曲的問題,也就是在一定空間條件下時間是一個變量。

霍金在史瓦西半徑理論的基礎(chǔ)上引入了量子場理論。量子場理論主要觀點是你看到的和測量的時間、空間與實際不一樣。也就是量子糾纏,我們測量到的都是一個時間點上的規(guī)律,而實際上這個規(guī)律是不存在的,中子處于一種糾纏狀態(tài)。

也就是說我們能測量和看到的永遠(yuǎn)是一個面,而實際宇宙是立體的,并且是多維度存在的。

霍金依靠這方面的理論得出了兩個概念。

一是光無法逃逸的理論是存在的。

二是當(dāng)光都無法逃逸的時候,時空會發(fā)生彎曲(轉(zhuǎn)換)。

首先是時間變慢。

當(dāng)一個人向這個天體(黑洞)運動的時間,外面的人看到他在勻速運動,當(dāng)他到了離這個天體一定距離的時候(這個邊界叫視界),外面的人看著他的運動在變慢,一直到不動。其實他在天體的大引力下一直在勻速運動。也就是我們認(rèn)為他一年走了那么長,其實他用了一天。這是外面的人看里面。

其次是時空互換。

當(dāng)人到了這個天體里有時候,空間運動變成了單向的,因為吸引力大,你只能向黑洞里面走,不能后退。而這時時間變成了雙向的,這個是指進(jìn)入天體里的人看外面,他用一天的時間看到外面一年的時間,這就是所謂的時空穿越。

這就是霍金的黑洞理論也叫霍金輻射。

當(dāng)然,這些理論都沒有得到實踐的證實,只不過是理論之間的相互支持。所以他沒有得諾貝爾物理學(xué)獎,但他卻實給當(dāng)代物理開了一個大大的腦洞。

說回到李政道和楊振寧的宇稱不守恒定律,最初也是只是一個理論的推演。

袁克文(袁大總統(tǒng)的二兒子)有個兒子叫袁家騮,是美國物理學(xué)家,他娶了個老婆叫吳健雄。吳健雄江蘇省蘇州人,她被稱為中國居里夫人,就是她在實驗室里證明了宇稱不守恒定律,才使李政道和楊振寧獲獎。

黑洞是現(xiàn)代廣義相對論中,宇宙空間內(nèi)存在的一種天體。黑洞的引力很大,使得視界內(nèi)的逃逸速度大于光速。

霍金的葬禮和英國人對愛因斯坦相對論的證明,能看出英國人對科學(xué)的尊重。

抬靈柩者抵達(dá)教堂

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