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霍金去世一周年是怎么回事?霍金的重要科技贡献有什么?

2018年3月14日,自爱因斯坦以来最有名气的物理学家霍金在剑桥大学的家中安详去世,享年76岁。今天是霍金去世一周年的纪念日,作为从小听着他的故事长大的一代人,还是无比怀念,谨以此文表达对他的思念,也让更多朋友了解他的成长简史、成就简史以及太空梦想。

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霍金1942年1月8日出生于牛津,父亲是毕业于牛津大学的热带病专家,母亲也毕业于牛津大学,研究哲学、政治和经济。

霍金出生这天正好是现代物理学的始祖——伽利略逝世300年的忌日。当然,他并没有把这种巧合当成某种奇迹,他曾经说:“我估计那一天还有其他20万个婴儿出生。”也许又是一次历史巧合,3月14日又恰好是爱因斯坦的诞辰,不知道霍金在天有何感想。

一、求学经历

霍金在17岁的时候进入了牛津大学,父亲希望他学医,因为学医工作机会更多一些,但霍金却对数学和物理充满热情,最终他以物理作为自己的专业。本科毕业后,他拿到了一等学位证进入剑桥大学深造。

在理论物理学中,有两个最基本的方向:一个是研究微观领域的粒子物理学,另一个是研究宏观领域的宇宙学。当年,霍金觉得粒子物理学更像是给各种粒子分类,没有一个统一的理论指导(当年还没有粒子物理标准模型)。而宇宙学中,有现成的广义相对论,于是他选择了后者作为自己的研究方向。

在剑桥大学,有一位世界最著名的天文学家福雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)。霍金当时也是奔着霍伊尔去的,但未能如愿以偿。他的导师被指定为物理学家席艾玛(Dennis W. Sciama)。事实证明,席艾玛的带学生风格更适合霍金。60年代和70年代初,他的大部分精力都是用来为他的学生营造一个理想的成长环境,把个人的研究放在了第二位,获得的奖励和荣誉更多的是他的学生,这样的导师更符合蜡烛的精神:燃烧自己,照亮别人。除霍金外,席艾玛还培养了诸如马丁·里斯(oMartin Rees)这样的一大批世界顶级的天体物理学家和宇宙学家。

二、重要科学贡献

1、奇性定理

1916年,在爱因斯坦广义相对论刚刚提出后,德国数学家、天文学家史瓦西(K.Schwarzschild)就得到了爱因斯坦场方程的第一个严格解,即史瓦西外部解或史瓦西度规,也就是数学意义上的黑洞。

然而,现实中是否存在黑洞呢?当时科学界是存在很大争议的。

1939年,美国“原子弹之父”奥本海默(J. Robert Oppenheimer)及其合作者研究了完全球对称、密度均匀,没有旋转,没有压力的理想恒星的坍缩过程。在这种完全理想的前提下,恒星的质量大到一定程度,黑洞的形成是不可避免的,从而形成与外界宇宙隔离的视界(Horizon)。那么,黑洞中心会形成什么呢?奥本海默并没有给出任何解释。但他的方程却暗示着,在黑洞的中心会形成体积无限小、密度无限大的奇点(Singularity)。

然而,奥本海默的模型太简单了,现实中恒星多少都有旋转,不可能完全不受干扰保持完美球对称。因此,任何非完美的恒星在坍缩的过程中,存在发生反弹的可能性,不会在中心形成奇点。关于这一点,前苏联物理学家栗弗席兹(Lifshitz)曾给出过证明。

1964年,英国数学物理学家彭罗斯(Roger Penrose)利用拓扑学的方法证明,无论有什么干扰,在坍缩黑洞的中心会不可避免地形成奇点,

1970年,霍金和彭罗斯证明,我们的宇宙在大爆炸的开端有一个时空奇点。

1970年,霍金和彭罗斯证明了,在广义相对论的框架下,我们的宇宙在大爆炸的开端也有一个时空奇点,如果有一天再发生坍缩,必然在大挤压中再次形成奇点。这就是著名的奇性定理(singularity theorems)。

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