【博科园-科学科普】一个不幸的事实是公元2018年3月14日英国物理学家与宇宙学家——史蒂芬·霍金去世，享年76岁（1942—2018），生前任剑桥大学理论宇宙学中心研究主任。其主要研究领域是宇宙论和黑洞，证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理，提出了黑洞蒸发现象和无边界的霍金宇宙模型，相信世人都有缅怀和纪念这位伟大的科学家！博科园：巨星陨落，这是人类的一笔损失，感谢霍金教授对人类文明科学所做的贡献！
图注：英国物理学家与宇宙学家史蒂芬·霍金
1915年阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的广义相对论，用一个统一的时空概念取代了古老的牛顿世界观。在爱因斯坦方程的一边，宇宙中的物质和能量告诉时空如何弯曲；另一边，时空的弯曲结构告诉物质和能量如何移动。这些方程的复杂性使得精确解很难找到，因为爱因斯坦自己也只找到了两个：一个是完全空的空间，一个是在弱场极限下的单个质量。
图注：黑洞事件视界是一个球形或球状区域，从中不会有任何物体甚至光线不能逃脱。但在事件视界之外，黑洞被预测会发出辐射——称为霍金辐射。霍金1974年的研究首次证明这一点，这可以说是他最大的科学成就。图片信息及版权：NASA; Jörn Wilms (Tübingen) et al.; ESA
第二年卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）发现了第一个有趣的解决方案：即在所有的空间上都有一个点质量。我们现在认识到这是一个黑洞的解决方案，即使在今天也是为数不多的精确解之一。在史瓦西的公式中，黑洞是静止的物体，霍金是第一个证明它并非如此的人，即随着时间的推移，黑洞会辐射出来（霍金辐射），因此黑洞并不是完全黑的。
图注：对于非旋转的孤立黑洞而言，黑洞的质量是事件视界半径唯一决定因素。在很长一段时间里，人们认为黑洞是宇宙时空中的静态物体。图片信息及版权：SXS team; Bohn et al 2015
很长一段时间以来只有少数的特征属性可以来描述黑洞。在史瓦西的公式中简单地分配了黑洞的质量，并解决了时空曲率问题。另一些观点表示：可以添加一个电荷（Reissner-Nordstrom黑洞）或旋转(Kerr黑洞)，但就是这样，不可能做到将信息添加到一个黑洞中：一个电中性的、不旋转的人进入黑洞后就会包含与氢气云相当信息（一样多）。从热力学的角度来看，这是一场灾难。可以把一束温度为绝对零度，熵为零的氢扔到黑洞中，并且会对黑洞产生与将同等能量的人投掷在那里相同的效果，这根本就没有意义。
图注：当一个物体被黑洞吞噬时，物质所具有的熵的大小取决于物理性质。但是在黑洞内部只有质量、电荷和角动量等特性是重要的。如果热力学第二定律依然必须保持正确，这将是一个大难题。图片信息及版权：Illustration: NASA/CXC/M.Weiss; X-ray (top): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L); Optical: ESO/MPE/S.Komossa (R)
这意味着与热力学第二定律相反，也意味着突然有一种方法可以任意地减少宇宙的熵，经典的黑洞应该有一个零的熵。如果能够将真实的，正的和大量的熵投射到黑洞中，就会有一种方法来违反这条定律。就我们所知，熵一直在增加，这是霍金思考黑洞时所思考的问题之一。必须有某种方法来为黑洞做定义，而且这个值应该是正且大的。随着时间的推移，增加熵应该是可以的，但是减少则是被禁止的。唯一的办法是通过强制增加黑洞的质量来使熵增加至少是所想象的最大值。
图注：编码的信息在黑洞表面上可以是信息位（比特信息），与事件视界表面积成比例。图片信息及版权：T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam
解决这个问题科学家（包括霍金）给出的答案是：使熵与黑洞的表面积成正比。能在黑洞中找到的量子信息越多，它的熵就越大。但这带来了一个新问题：如果有熵，那就意味着有一个温度，如果有一个温度，就必须把能量散发出去。最初称为“黑”（只吃不吐）因为没有任何东西，甚至光线都不能逃脱，现在已经很清楚，黑洞必须抛出一些东西（方式为霍金辐射）。所以黑洞不再是一个静态系统了，它随着时间的推移而变化。
图注：黑洞的模拟衰减不仅会导致辐射的释放，而且会导致中心轨道质量的衰减。黑洞不是静态的物体，而是随着时间而改变。图片信息及版权：EU's Communicate Science
所以如果一个黑洞不是那么黑，而且如果辐射的话，现在最大的问题就是黑洞如何辐射？搞清楚这个难题的答案是史蒂芬·霍金对物理学的最大贡献。我们知道如何在量子场论中计算真空空间是如何在空间平滑的情况下表现出来的。也就是说当你远离任何物体（比如黑洞）时，可以告诉你空空间的性质。霍金第一次展示是如何在弯曲的空间中这样做：在事件视界的几个半径内，他发现当质量接近时，量子真空的行为有显著的差异。
图注：量子引力试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合起来。对经典引力的量子修正可视化为循环图，如白色所示。霍金使用的半经典近似涉及计算了弯曲空间背景下的真空量子场理论效应。图片信息及版权：SLAC国家加速器实验室
当霍金进行数学运算时发现了以下性质规律：
1、当离黑洞很远时会得到黑体辐射的热辐射
2、发射的温度取决于黑洞的质量：质量越低，温度越高
3、当黑洞发出辐射时质量会下降，与爱因斯坦的E = mc^2完全一致，辐射率越高，质量损失越快。
4、当黑洞失去质量时会收缩并辐射得更快。黑洞能存在的时间与它质量的立方成正比：银河系中心的黑洞比太阳质量黑洞的寿命长10^20倍。
图注：如果将空的空间想象为爆炸的粒子/反粒子对存在于内外，会看到来自黑洞的辐射。如图这种可视化并不完全正确，但易于可视化的事实有其好处。图片信息及版权：Ulf Leonhardt of the University of St. Andrews
最初霍金将其可视化为粒子/反粒子对的出现和消失，湮灭产生辐射。这一过于简化的图像质量上足以描述远离黑洞的辐射，但事实证明它与视界的距离是不正确的。更准确的应是：真空的变化以及从空间曲率相对较大的地方放射出来的辐射在黑洞本身的几个半径内。然而一旦离得太远，一切似乎都是这种热量——黑体辐射。
图注：霍金辐射是围绕黑洞事件视界的弯曲时空中量子物理学预测的不可避免的结果。本图这种可视化比上述更准确，因为它将光子显示为辐射的主要来源而不是粒子。但是发射是由于空间的曲率，而不是单个的粒子，并不都是全部追溯到事件视界本身。图片信息及版权：E. Siege
突然间，黑洞发生了一场革命，并理解了量子场在高度弯曲空间中的行为。它打开了黑洞信息悖论，因为我们现在正在问的黑洞事件视界上编码的信息在黑洞蒸发时的位置？它打开了黑洞火墙的（相关）问题，问为什么在物体跨越事件视界时物体不会受到辐射的影响，或者它们实际上是否会受到辐射的影响？它告诉我们在一个体积内（在事件视界所包围的空间内）和表面包裹它（事件视界本身）之间存在着一种关系，这是现实生活中全息原理的一个潜在例子。它打开了一扇门，如果有任何偏离广义相对论的预言，让我们可以第一次探索量子引力的影响。
图注：在永恒黑暗的永恒背景下，一束光将会出现：宇宙中最后一个黑洞被完全蒸发。图片信息及版权：ortega-pictures / pixabay
致使这一切的论文只是简单地称为“黑洞爆炸” 并于1974年在《Nature》上发表。霍金仅32岁就发表了这篇论文，这将是一生研究的最高成就。多年来霍金一直在研究奇点，黑洞，婴儿宇宙和宇宙大爆炸，并与加里·吉本斯、乔治·艾利斯、丹尼斯·西马、吉姆·巴丁、罗杰·潘罗斯、伯纳德·卡尔和布兰登·卡特等科学巨人合作。他杰出的研究不是凭空而来的，而是在一个在肥沃的学术环境中茁壮成长的聪明才智结合而产生。这对我们所有人来说都是一个教训，如果我们想要获得这些巨大的理论进步，去创造（和资助）这样的高质量的环境，这样的研究才能成为可能。
图注：在黑洞事件视界之外，广义相对论和量子场论对于理解发生的物理现象是完全足够的，这就是霍金辐射。图片信息及版权：NASA
全世界都在哀悼他的去世，但他的研究成果将永远的留给人类。也许这将是那个悖论解决的世纪，可能会物理学的下一次巨大飞跃将会证实认可。无论未来如何，霍金的遗产（研究成果）都是安全的，而任何理论家所能期望的就是他们的理论将会得到及时的改进完善。
正如霍金本人所言：任何物理学理论总是暂时的，因为它只是一个假设：你永远无法证明它。无论实验结果与某种理论相符多少次，都无法确定下一次结果是否会与理论相矛盾。虽然世界已经失去了一个伟大的科学杰出人物，霍金的离去，但他对我们的知识，理解和好奇的影响将在整个时代回响！
博科园-科学科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B
博科园-传递宇宙科学之美
发表于 2018-7-29 12:54
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