黑洞指什么

【專家解說】：時間簡史 宇宙論是一門既古老又年輕的學(xué)科。作為宇宙里高等生物的人類不會滿足于自身的生存和種族的綿延，還一代代不懈地探索著存在和生命的意義。但是，人類理念的進(jìn)化是極其緩慢和艱苦的。從亞里士多德-托勒密的地心說到哥白尼-伽利略的日心說的演化就花了2000年的時間。令人吃驚的是，盡管人們知道世間的一切都在運(yùn)動，只是到了本世紀(jì)20年代因哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律后，宇宙演化的觀念才進(jìn)入人類的意識。人們甚至從來沒有想到過宇宙還會演化。牛頓的萬有引力定律表明，宇宙的物質(zhì)在引力作用下不可能處于穩(wěn)定的狀態(tài)。即使在愛因斯坦的廣義相對論中，情況也好不到哪兒去，為了得到一個穩(wěn)定的宇宙模型，他曾將宇宙常數(shù)引進(jìn)理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩(wěn)定的宇宙模型?？梢?，宇宙演化的觀念并不是產(chǎn)生于這些天才的頭腦之中。 將哈勃的發(fā)現(xiàn)當(dāng)成現(xiàn)代宇宙論的誕生是公平的。哈勃發(fā)現(xiàn)，從星系光譜的紅移可以推斷，越遠(yuǎn)的星系以越快的速度離開我們而去，這表明整個宇宙處于膨脹的狀態(tài)。從時間上倒溯到過去，估計在100億到200億年前，曾經(jīng)發(fā)生過一樁開天辟地的大事件，即宇宙從一個極其緊致、極熱的狀態(tài)中大爆炸而產(chǎn)生。伽莫夫在1948年發(fā)表的一篇關(guān)于熱大爆炸模型的文章中作出了一個驚人的預(yù)言，早期大爆炸的輻射仍殘存在我們周圍，不過由于宇宙膨脹引起的紅移，其絕對溫度只余下幾度左右，在這種溫度下，輻射是處于微波的波段。但在1965年彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙微波背景輻射之前，人們并不認(rèn)真對待此預(yù)言。 一般認(rèn)為，愛因斯坦的廣義相對論是用于描述宇宙演化的正確的理論。在經(jīng)典廣義相對論的框架里，霍金和彭羅斯證明了，在很一般的條件下，空間-時間一定存在奇點(diǎn)，最著名的奇點(diǎn)即是黑洞里的奇點(diǎn)以及宇宙大爆炸處的奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)處，所有定律以及可預(yù)見性都失效。奇點(diǎn)可以看成空間時間的邊緣或邊界。只有給定了奇點(diǎn)處的邊界條件，才能由愛因斯坦方程得到宇宙的演化。由于邊界條件只能由宇宙外的造物主所給 定，所以宇宙的命運(yùn)就操縱在造物主的手中。這就是從牛頓時代起一直困擾人類智慧的第一推動問題。 如果空間-時間沒有邊界，則就不必勞駕上帝進(jìn)行第一推動了。這只有在量子引力論中才能做到?；艚鹫J(rèn)為宇宙的量子態(tài)是處于一種基態(tài)，空間-時間可看成一有限無界的四維面，正如地球的表面一樣，只不過多了兩個維數(shù)而已。宇宙中的所有結(jié)構(gòu)都可歸結(jié)于量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理所允許的最小起伏。從一些簡單的模型計算可得出和天文觀測相一致的推論，如星系、恒星等等的成團(tuán)結(jié)構(gòu)，大尺度的各向同性和均勻性，空間-時間的平性，即空間-時間基本上是平坦的，并因此才使得星系乃至生命的發(fā)展成為可能，還有時間的方向箭頭等等?；艚鸬牧孔佑钪嬲摰囊饬x在于它真正使宇宙論成為一門成熟的科學(xué)，它是一個自足的理論，即在原則上，單憑科學(xué)定律我們便可以將宇宙中的一切都預(yù)言出來。 本書作者霍金是當(dāng)代最重要的廣義相對論家和宇宙論家。70年代，他和彭羅斯一道證明了著名的奇性定理，為此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎。他還證明了黑洞的面積定理，即隨著時間的增加黑洞的面積不減。這很自然使人將黑洞的面積和熱力學(xué)的熵聯(lián)系在一起。1973年，他考慮黑洞附近的量子效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)黑洞會像黑體一樣發(fā)出輻射，其輻射的溫度和黑洞質(zhì)量成反比，這樣黑洞就會因為輻射而慢慢變小，而溫度卻越變越高，它以最后一刻的爆炸而告終。黑洞輻射的發(fā)現(xiàn)具有極其基本的意義，它將引力、量子力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)統(tǒng)一在一起。 1974年以后，他的研究轉(zhuǎn)向量子引力論。雖然人們還沒有得到一個成功的理論，但它的一些特征已被發(fā)現(xiàn)。例如，空間-時間在普郎克尺度(10^-33厘米)下不是平坦的，而是處于一種泡沫的狀態(tài)。在量子引力中不存在純態(tài)，因果性受到破壞，因此使不可知性從經(jīng)典統(tǒng)計物理、量子統(tǒng)計物理提高到了量子引力的第三個層次。 1980年以后，他的興趣轉(zhuǎn)向量子宇宙論。 本書的副題是從大爆炸到黑洞?；艚鹫J(rèn)為他一生的貢獻(xiàn)是，在經(jīng)典物理的框架里，證明了黑洞和大爆炸奇點(diǎn)的不可避免性，黑洞越變越大;但在量子物理的框架里，他指出，黑洞因輻射而越變越小，大爆炸的奇點(diǎn)不但被量子效應(yīng)所抹平，而且整個宇宙正是起始于此。 理論物理學(xué)的細(xì)節(jié)在未來的20年中還會有變化，但就觀念而言，現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)完備了。 霍金的生平是非常富有傳奇性的，在科學(xué)成就上，他是有史以來最杰出的科學(xué)家之一，他的貢獻(xiàn)是在他20年之久被盧伽雷病禁錮在輪椅上的情況下做出的，這真正是空前的。因為他的貢獻(xiàn)對于人類的觀念有深遠(yuǎn)的影響，所以媒介早已有許多關(guān)于他如何與全身癱瘓作搏斗的描述。盡管如此，譯者之一于1979年第一回見到他時的情景至今還歷歷在目。那是第一次參加劍橋霍金廣義相對論小組的討論班時，門打開后，忽然腦后響起一種非常微弱的電器的聲音，回頭一看，只見一個骨瘦如柴的人斜躺在電動輪椅上，他自己驅(qū)動著電開關(guān)。譯者盡量保持禮貌而不顯出過分吃驚，但是他對首次見到他的人對其殘廢程度的吃驚早已習(xí)慣。他要用很大努力才能舉起頭來。在失聲之前，只能用非常微弱的變形的語言交談，這種語言只有在陪他工作、生活幾個月后才能通曉。他不能寫字，看書必須依賴于一種翻書頁的機(jī)器，讀文獻(xiàn)時必須讓人將每一頁攤平在一張大辦公桌上，然后他驅(qū)動輪椅如蠶吃桑葉般地逐頁閱讀。人們不得不對人類中居然有以這般堅強(qiáng)意志追求終極真理的靈魂從內(nèi)心產(chǎn)生深深的敬意。從他對譯者私事的幫助可以體會到，他是一位富有人情味的人。每天他必須驅(qū)動輪椅從他的家--劍橋西路5號，經(jīng)過美麗的劍河、古老的國王學(xué)院駛到銀街的應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系的辦公室。該系為了他的輪椅行走便利特地修了一段斜坡。 在富有學(xué)術(shù)傳統(tǒng)的劍橋大學(xué)，他目前擔(dān)任著也許是有史以來最為崇高的教授職務(wù)，那是牛頓和狄拉克擔(dān)任過的盧卡遜數(shù)學(xué)教授。 本書譯者之一曾受教于霍金達(dá)四年之久，并在他的指導(dǎo)下完成了博士論文。此書即是受霍金之托而譯成中文，以供占人類五分之一的人口了解他的學(xué)說。 斯蒂芬·威廉·霍金，1942年1月8日出生，曾先后畢業(yè)于牛津大學(xué)和劍橋大學(xué)三一學(xué)院，并獲劍橋大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。在大學(xué)學(xué)習(xí)后期，開始患“肌肉萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥”(運(yùn)動神經(jīng)元疾病)，半身不遂。他克服身患?xì)埣驳姆N種困難，于1965年進(jìn)入劍橋大學(xué)岡維爾和凱厄斯學(xué)院任研究員。這個時期，他在研究宇宙起源問題上，創(chuàng)立了宇宙之始是“無限密度的一點(diǎn)”的著名理論。1969年起任岡維爾和凱厄斯學(xué)院科學(xué)杰出成就研究員。1972-1975年先后在劍橋大學(xué)天文研究所、應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理學(xué)部進(jìn)行研究工作，1975-1977年任重力物理學(xué)高級講師，1977-1979年任教授，1979年起任盧卡斯講座數(shù)學(xué)教授。其間，1974年當(dāng)選為皇家學(xué)會最年輕的會員。1974-1975年為美國加利福尼亞理工學(xué)院費(fèi)爾柴爾德講座功勛學(xué)者。1978年獲世界理論物理研究的最高獎愛因斯坦獎?；艚鸬某擅加趯诙吹难芯砍晒Ｔ趷垡蛩固怪笕诤狭?0世紀(jì)另一個偉大理論--量子理論，他認(rèn)為，宇宙是有限的，但無法找到邊際，這如同地球表面有限但無法找到邊際一樣;時間也是有開始的，大約始于150億到200億年前。1988年獲沃爾夫物理學(xué)獎。 1985年霍金喪失語言能力，表達(dá)思想唯一的工具是一臺電腦聲音合成器。他用僅能活動的幾個手指操縱一個特制的鼠標(biāo)器在電腦屏幕上選擇字母、單詞來造句，然后通過電腦播放聲音，通常制造一個句子要5、6分鐘，為了合成一個小時的錄音演講要準(zhǔn)備10天。1988年寫成科普著作《時間簡史》，至1995年10月該書發(fā)行量已超過2500萬冊，譯成幾十種語言，中譯本也已出版。 1990年與結(jié)婚25年之久的妻子簡·懷爾德離婚。1995年9月16日，與他的護(hù)士伊萊恩·梅森結(jié)婚。 史蒂芬·霍金教授是當(dāng)代享有盛譽(yù)的偉人之一，被稱為在世的最偉大的科學(xué)家，當(dāng)今的愛因斯坦。他在統(tǒng)一20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論-愛因斯坦的相對論和普朗克的量子論方面走出了重要一步。1989年獲得英國爵士榮譽(yù)稱號。他是英國皇家學(xué)會學(xué)員和美國科學(xué)院外籍院士。 霍金1942年1月8號出生于英國牛津，這一天正好是伽利略的300年忌日?？赡芤驗樗錾诘诙问澜绱髴?zhàn)時代，所以小時候?qū)δＰ吞貏e著迷。他十歲時不但喜歡做模型飛機(jī)和輪船，還和學(xué)友制作了很多不同種類的戰(zhàn)爭游戲，反映出他研究和操控事物的渴望。這種渴望驅(qū)使他攻讀博士學(xué)位，并在黑洞和宇宙論的研究上獲得重大成就?；艚鹗⑺臍q時已下定決心要從事物理學(xué)和天文學(xué)的研究。十七歲那年，他考到了自然科學(xué)的獎學(xué)金，順利入讀牛津大學(xué)。大學(xué)畢后他轉(zhuǎn)到劍橋大學(xué)攻讀博士，研究宇宙學(xué)。1963年，21歲的霍金被診斷出肌萎縮性側(cè)索硬化癥。1965年獲得理論物理學(xué)博士學(xué)位。70年代他與彭羅斯一道證明了著名的奇性定理，為此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎。他因此被譽(yù)為繼愛因斯坦之后世界上最著名的科學(xué)思想家和最杰出的理論物理學(xué)家”。他還證明了黑洞的面積定理。1974年3月1日，他在《自然》上發(fā)表論文，闡述了自己的新發(fā)現(xiàn)-黑洞是有輻射的(所指的輻射被稱為霍金輻射)。他的新發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是多年來理論物理學(xué)最重要的進(jìn)展。該論文被稱為“物理學(xué)史上最深刻的論文之一”。同年成為英國皇家學(xué)會會員。1975-1976年間，獲得倫敦皇家天文學(xué)會的埃丁頓勛章、梵蒂岡教皇科學(xué)學(xué)會十一世勛章、霍普金斯獎、美國丹尼歐海涅曼獎、馬克斯韋獎和英國皇家學(xué)會的休斯勛章6項大獎中。1978年他獲得物理界最有威望的大獎-阿爾伯特·愛因斯坦獎。1979年，被任命為著名劍橋大學(xué)有史以來最為崇高的教授職務(wù)，既牛頓和狄拉克擔(dān)任過的盧卡遜數(shù)學(xué)教授。1979年出版了《廣義相對論評述:紀(jì)念愛因斯坦百年誕辰》。1988年，霍金的驚世之著《時間簡史:從大爆炸到黑洞》(A Brief History of Time:from the Big Bang to Black Holes)發(fā)行。從研究黑洞出發(fā)，探索了宇宙的起源和歸宿，解答了人類有史以來一直探索的問題:時間有沒有開端，空間有沒有邊界。這是人類科學(xué)史上里程碑式的佳作。該書被譯成40余種文字，出版了1000余萬冊，至今已經(jīng)銷售2500萬冊?；艚鸾淌诘耐ㄋ籽葜v在國際上也享有盛譽(yù)，他的足跡遍布世界各地。他試圖通過自己的書籍和通俗演講，將自己的思想與整個世界交流。1993年出版了《黑洞與嬰兒宇宙及其它論文》。2000年初，霍金在美國白宮做了演講，這是世界之夜(Millenium Evenings)活動的一部分，克林頓總統(tǒng)親切會見他并向他表示祝賀。2001年10月又一部力作《The Universe in a Nutshell》出版發(fā)行。該書是《時間簡史》的姐妹篇。在該書中，霍金揭示了自《時間簡史》發(fā)表以來，理論物理學(xué)的偉大突破。 霍金的魅力不僅在于他是一個充滿傳奇色彩的物理天才，也因為他是一個令人折服的生活強(qiáng)者。他不斷求索的科學(xué)精神和勇敢頑強(qiáng)的人格力量深深地吸引了每一個知道他的人。 研究領(lǐng)域: 理論物理學(xué):70年代霍金與彭羅斯一道證明了著名的奇性定理，他還證明了黑洞的面積定理?；艚鸬纳绞欠浅８挥袀髌嫘缘?，在科學(xué)成就上，他是有史以來最杰出的科學(xué)家之一，他超越了相對論、量子力學(xué)、大爆炸等理論而邁入創(chuàng)造宇宙的“幾何之舞”。盡管他那么無助地坐在輪椅上，他的思想?yún)s出色地遨游到光袤的時空，解開了宇宙之謎。 霍金教授是現(xiàn)代科普小說家:他的代表作是1988年撰寫的《時間簡史》，這是一篇優(yōu)秀的天文科普小說。作者想象豐富，構(gòu)思奇妙，語言優(yōu)美，字字珠璣，更讓人咋驚，世界之外，未來之變，是這樣的神奇和美妙。這本書至今累計發(fā)行量已達(dá)2500萬冊，被譯成近 40種語言。1992年耗資350萬英鎊的同名電影問世?；艚饒孕抨P(guān)于宇宙的起源和生命的基本理念可以不用數(shù)學(xué)來表達(dá)，世人應(yīng)當(dāng)可以通過電影--這一視聽媒介來了解他那深奧莫測的學(xué)說。本書是關(guān)于探索時間本質(zhì)和宇宙最前沿的通俗讀物，是一本當(dāng)代有關(guān)宇宙科學(xué)思想最重要的經(jīng)典著作，它改變了人類對宇宙的觀念。《時間簡史續(xù)編》 作為宇宙學(xué)無可爭議的權(quán)威，霍金的研究成就和生平一直吸引著廣大的讀者，《時間簡史續(xù)篇》是為想更多了解霍金教授生命及其學(xué)說的讀者而編的。該書以坦白真摯的私人訪談形式，敘述了霍金教授的生平歷程和研究工作，展現(xiàn)了在巨大的理論架構(gòu)后面真實(shí)的“人”。該書不是一部尋常的口述歷史，而是對二十世紀(jì)人類最偉大的頭腦之一的極為感人又迷人的畫像和描述。對于非專業(yè)讀者，本書無疑是他們享受人類文明成果的機(jī)會和滋生寶貴靈感的源泉。《霍金講演錄--黑洞、嬰兒宇宙及其他》，是由霍金1976-1992年間所寫文章和演講稿共13篇結(jié)集而成。討論了虛時間、有黑洞引起的嬰兒宇宙的誕生以及科學(xué)家尋求完全統(tǒng)一理論的努力，并對自由意志、生活價值和死亡作出了獨(dú)到的見解。 《時空本性》80年前廣義相對論就以完整的數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來，量子理論的基本原理在70年前也已出現(xiàn)，然而這兩種整個物理學(xué)中最精確、最成功的理論能被統(tǒng)一在單獨(dú)的量子引力中嗎?世界上最著名的兩位物理學(xué)家就此問題展開一場辯論。本書是基于霍金和彭羅斯在劍橋大學(xué)的6次演講和最后辯論而成。