物理學科普：霍金到底偉大在哪兒？

　　□英國那些事兒

　　3月14日，霍金先生離我們而去了。他或許稱得上是當代社會最著名的物理學家。但對於大部分人來說，「霍金到底偉大在哪兒？他為何而出名？」卻是一個很難回答的問題。

　　這一切，都要從我們該用什麼理論解釋這個世界的一切說起。

　　經典物理學

　　從16世紀起，伽利略、開普勒、惠更斯……一批又一批的科學家，把他們觀察的目標對準了宇宙，嘗試解釋更多的天文現象。然而，這樣的物理，是有局限的。我們觀察到的範圍很有限，我們能實驗的範圍也很有限。

　　直到牛頓橫空出世。

　　他的偉大不但在於他試驗和總結得出了「f=ma」這個公式，更關鍵在於他認為這個公式適用於世界上的所有物體，小到一個蘋果、皮球，大到宇宙的太陽和星系……

　　在F=ma之上，牛頓用數學和各種公式設立了一整套物理體系，他把力、速度、加速度、能量、動量等等各種概念都嚴格的定義了出來，用數學的方式找到了它們之間的關係……牛頓還通過了大量實驗，證明了任何兩物體之間都存在著吸引力，總結出了萬有引力定律。

　　人們第一次發現，世界上的很多東西，用牛頓的這套理論可以精確的計算出來了。而牛頓的這套理論，被稱為——經典物理學。

　　黑洞

　　然而，隨著我們對這個世界了解的不斷深入，科學家們發現，在很多領域，牛頓的經典物理學解釋不了他們發現的現象了！出現偏差的部分，主要來自極大和極小的兩端。

　　一個最簡單的例子，在牛頓的體系里，如果加速度保持不變，那物體的速度應該會達到無窮大，可是現實世界裡，為什麼我們沒有能找到任何一個物體的速度能突破光速？

　　為了解釋這兩端的現象，兩個截然不同的科學體系出現了：那就是解釋宏觀（也就是極大）體系的愛因斯坦的相對論，以及解釋微觀（也就是極小）體系的普朗克的量子力學。

　　1910年，愛因斯坦的相對論橫空出世。愛因斯坦用另外一種體系解釋了我們的這個宇宙。

　　就拿地球為什麼會繞著太陽運轉舉例。牛頓認為，在巨大的物體附近，存在著一種「力場」。這種力場就像磁場一樣，對其中的其他物質有吸引力。正如同太陽吸引著地球，地球吸引著月球，甚至地球吸引著那個蘋果。

　　而愛因斯坦的相對論認為，引力本身就是時空的一部分，是時空的幾何屬性。當物體的質量大到一定程度，其附近的空間就會產生扭曲，從而改變周邊一切物體的運動模式。比如地球繞著太陽轉，衛星繞著地球轉……

　　據此，科學家推斷出了一個在當時看來近乎天方夜譚的觀點：如果有一個質量極大的恆星，它自身產生的重力也無比巨大，最終恆星必定會因為不堪自身重負而坍縮成一個密度和曲率都無窮大、體積無窮小的點。在這個點的周邊，會創造出一片引力極強質量極大、連光都無法逃出的特殊區域。在時空的維度上，就像一個無比深凹的洞。科學界給了一個簡單的名詞：黑洞。

　　而霍金的理論主要就解釋了兩大問題：黑洞的中心究竟是什麼？在黑洞的邊緣發生了什麼？

　　1970年，霍金與羅傑·彭羅斯合作，用嚴謹數學推理證明：如果你能進入黑洞中心，就會發現裡面關於黑洞的所有質量，都會匯聚到一個點上——奇點，一個體積無限小、彎曲無限大、密度無限大、引力無限大的一個點。

　　之前，人們對奇點的形成有所爭論，認為在形成奇點的過程中會發生其他的事情。而霍金和彭羅斯一起，從理論上，證明了黑洞中心奇點的存在。這也是他學術生涯中第一個舉足輕重的定理：奇點定理——黑洞的中心存在一個奇點。

　　霍金輻射理論

　　那黑洞的邊緣又會發生什麼?

　　最初的時候，霍金也跟主流科學界一樣，認為黑洞是一個只吞不吐，永遠吃進周圍的物質，質量不斷增加的物體。然而經過思考和研究，他創立了一個理論：黑洞確實在放出黑體輻射，而且黑洞的質量，是在不斷減少的。這一切，被稱為「霍金輻射理論」。

　　為了解釋自己的這個理論，霍金在學術界破天荒地用了相對論之外的另一套物理體系來解釋自己的理論——量子力學！

　　量子力學告訴我們，時空是分散的。在真空中，隨時會憑空出現一對虛粒子對：一個正粒子和一個反粒子，一個攜帶正能量，一個攜帶負能量。這些虛粒子會憑空出現，存在極小的一段時間，然後又相互碰撞結合而湮滅。因為他們存在的時間極其短而無法被檢測到，所以將他們稱為虛粒子。

　　而霍金，把這個理論，用在了黑洞的邊緣上。霍金認為，如果剛好有一對虛粒子，產生在黑洞的這個邊緣，由於黑洞的引力很強，有可能有一個跌入黑洞，而另一個沒有。因為兩個虛粒子一個有正質量，而一個有負質量，因此被吸入的，是負質量的那個。

　　按照量子理論，這正反粒子應該是一出現，馬上就會互相碰撞湮滅掉而達到能量守恆的，然而在這種情況下，一個粒子被吸入黑洞，另一個粒子沒法跟它碰撞湮滅。一個虛粒子，變成了一個有正能量的實粒子。那這個能量是哪來的？

　　霍金的解釋是，這個離開黑洞的粒子的質量，一定是從黑洞本身的質量而來的。黑洞吞了一個負能量的粒子，減少了自己的質量，而有另一個含有能量的粒子離開了黑洞。這一切，在外面看來，就像黑洞在發射粒子一樣。這些粒子是從黑洞邊緣空虛的空間里變出來後逃逸出來的，但是逃逸過程中帶走了黑洞的能量。

　　與此同時，墜入黑洞的粒子質量為負，在它們的作用下，黑洞變得越來越小，直至消失。當然了，這個過程非常非常漫長。由於體積不斷變小，黑洞自己也有生命的終點。它最終會變成一個迷你黑洞，在黑洞生命最後階段的時刻，這個迷你黑洞會爆炸，其威力相當於100萬顆百萬噸級的氫彈。在一場大爆炸中，黑洞的一切，灰飛煙滅，黑洞的奇點也會爆炸。

　　我們現在所處的宇宙，曾經就是一個奇點，即所謂的宇宙大爆炸奇點。隨著這個奇點爆炸，這才形成了星系、恆星、行星以及此刻拿著手機緬懷他的你和我。

　　世間萬物，都由此而來，這就是宇宙的起源。

　　在宏觀和微觀的世界上，我們創立了兩種不同的體系來解釋不同的事物。多少年來，科學界一直想找出一個方法，能夠統一相對論和量子力學。然而這一直沒有誰能完成，而霍金用相對論和量子力學來解釋黑洞邊緣，來解釋黑洞質量減少的理論，卻是在當時走出了這大一統的第一步。

　　（據3月14微信號「英國那些事兒」）

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