霍金被证明错了?还不止一次!这个神化了的人物,根本没那么完美

科学“赌徒”

在线发牌

一直以来

他像一个深渊的幽灵,似乎无处不在

他影响了无数的天体,却又无影无踪

他永远只停留在人们的推断

真实的图像,交错的数据

他究竟是神仙的化身,还是狱的使者

没人知道

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会吞噬的深渊?

就像人类的生命永远面临着终点一样,宇宙中的恒星也是有寿命的,只要是恒星,都会经历一场从诞生,成长,膨胀到最大,收缩,变小的过程…

其实各位模友可以想成,当一个气球被吹到最大,最后面临的不是爆炸就是漏气的过程

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噢不,这样才对….

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恒星的膨胀到收缩的过程既然如此的极端和强烈,但它收缩到了一定界限,恒星的内部必定会发生了引力坍塌。 如果之前的恒星质量足够大(大约3-4个太阳质量),那么这个恒星最后,就会坍缩成一个黑洞

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人类史上第一张黑洞的照片

神秘面纱终将揭晓

所以在本质上,黑洞就是一个收缩坍塌到极致的死亡后的恒星,它是一种密度无比巨大,却能吸收掉周围的一切物体,甚至光都没法逃脱。

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这里超模君想让大家试想一下,假设我们被黑洞吞噬后会怎样?

其实根据目前仅有的理论显示,人掉进黑洞,首先会被“面条化”。

是的,就像下面这样

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反正过程肯定不会很顺滑,毕竟你很有可能会感受到:

眼前的黑不是黑,你说的白是什么白?

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咳咳,那么吸都被吸进去了总得发生一些什么吧,难道就像《星际穿越》一样,没准也能踏入另一个时间维度?

也行,如果能回到过去的话,那么超模君还是希望能赶紧买一手双色球,毕竟刚已经在准备看上一期的大奖号码了。

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但毕竟梦想永远来的很丰满,现实却总不缺骨感一样。

被黑洞吸进去,其实跨越时间的可能性不大,更大的可能是被黑洞的引力压缩成无穷小,而密度变得无穷大,最终与黑洞融为一体。

那么掉进黑洞里恐怕只有终点没有起点了,除了体验极度的空虚寂寞冷之外,但想想能在死亡的终点变成宇宙的中心,这样一想不就跟这位科学界巨人的想法一样伟大了吗?

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霍金曾在生前表示

他希望搭乘理查德·布兰森的太空船进入太空

在自己迷恋的月球、恒星以及行星之间

漂浮度过生命最后时刻

说到对宇宙的极致探索,超模君今天要说的主题,当然离不开“宇宙之王”霍金,在探索黑洞的道路上,霍金更是做出了大量卓越的贡献。

但是霍金在这40多年的研究黑洞的过程中,曾引发了科学界里关于黑洞的非常有名的两次大论战,这究竟又是怎么“肥死”

第一次论战

我,霍金

aka“物理天才”

“科学巨匠”

“宇宙之王”

你想玩黑洞理论

你舍我其谁!

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要知道我们的老朋友霍金为什么会说出如此豪横的话,还需要回到伟大的1969年。

当时,伴随着在量子理论、相对论领域都做出了卓越成就的约翰·阿奇博尔德·惠勒教授第一次说出“黑洞”这个名词后,大海贼时代便来临了,全球科学家便争先恐后的展开了对黑洞的“追逐”计划。

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大海贼时代?

七十年代的黑洞大探索,同时也是黑洞研究的“黄金十年”。在这段时间内众多科学家给出了不同的黑洞数学定义和关于黑洞的一些重要性质。

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随着“黑洞”一词首次公开

许多媒体开始大肆报道

其中最有名的当属aka“宇宙之王”——霍金和贝肯斯坦的《黑洞无毛是否有熵》之争。

当时惠勒提出的《黑洞无毛定理》曾引起霍金的高度重视,因为这个定理是对经典黑洞的一个简单性的叙述:

无论什么样的天体,一旦塌缩成为黑洞,几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。

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约翰·阿奇博尔德·惠勒

虽然当时这个名字被很多科学家认为有淫秽之嫌…….

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好的,

总之随着定理便以一个非常快地速度流传开来,但毕竟“宇宙之王”并不是浪得虚名,霍金在这个理论的延伸中还发现了黑洞视界面积不减定理的概念,也就是说黑洞的视界面积是永远不会减小的。

视界是指黑洞外的一个边界,在此之内的任何东西都不可能逃到视界外,同时面积定理的一个重要结果是,合并黑洞辐射出的引力波的能量是有上限的。

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为此霍金和另外两位物理学家还合作连夜写出了一篇题为《黑洞的热力学定律》的论文,总结了与热力学定律相似的一系列关于黑洞的定律。

他们在该论文中着重强调了黑洞的温度为零(由于没有任何东西可以逃脱黑洞,因此它们不会有辐射),因此也不具有物理熵。

物理熵的概念是由德国物理学家克劳修斯于1865年所提出的,最初是用来描述“能量退化”的物质状态参数之一。

但是,令我们伟大的霍金都万万没想到的是,他自信不已的论据竟一朝被普伦斯顿大学的那个午后给打破了,这究竟又是怎么“肥死”

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就在那个阳光明媚的午后,惠勒和当时还是研究生的贝肯斯坦正在普伦斯顿大学悠然自得地喝着下午茶。

这时惠勒突发奇想,问他的学生贝肯斯坦:

“老弟,假如你喝不完这杯热茶,想把他倒进黑洞中,你觉得会发生什么?”

惠勒意思当然不是说这样的一杯热茶会把黑洞给烫伤,这个假设是热茶既有热量又有熵,但一切物质被黑洞吞下后就消失不见了,造成总体的“熵值”似乎不是增加而是减少了,这不是有悖热力学第二定律吗?

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为此一心想要推倒霍金的贝肯斯坦直接大胆的提出了黑洞无毛却有熵的论断。他认为:

“当扔进黑洞一些物质,例如像惠勒所说的那杯茶后,黑洞便会获得质量,黑洞的面积是和质量成正比的,质量增加使得面积增加,因而熵也增加了。黑洞熵的增加就会抵消被扔进去的茶水的熵的丢失。”

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雅各布·贝肯斯坦

因此贝肯斯坦便火速的在论文中发表了黑洞的熵应该正比于黑洞事件视界截面的面积

霍金这是怎么也没想到会有人这样来反驳自己的观点,当他看到贝肯斯坦的论文后,顿时感到很不以为然,觉得贝肯斯坦完全曲解了自己的意思,他反驳道:

“我的面积定理是用微分几何和广义相对论证出来的,根本没有用到热力学和统计物理,怎么会有热呢?而且,一旦黑洞有温度,就应该有热辐射。黑洞是个只进不出的天体,怎么可能辐射出东西来呢?”

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这场diss大论战由此拉开了序幕,气愤不已的霍金在1973年的一次暑期学术研讨会上,就跟另外两个专家(卡特和巴丁),三个人合写了一篇论文,用严格的微分几何diss了贝肯斯坦的公式,说这个公式本身并没有错,但是它不是真正的热力学公式。

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贝肯斯坦这边顿时陷入了一个非常尴尬的境地,然而他的导师惠勒却很支持他的看法,霍金的朋友前苏联物理学家泽尔多维奇、斯塔罗宾斯基也认为黑洞辐射粒子的存在好像也不是不可能。

眼看着自己的老铁都不曾想站在自己这边,霍金开始尝试着倒过来想,先假设贝肯斯坦是对的,那么黑洞就真有温度,就应该有热辐射射出。

因此霍金二话不说便搭乘最早的班机来到莫斯科,与泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基讨论了超辐射的问题。

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经过日夜的讨论和研究,霍金认为泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基关于超辐射的讨论在物理上是可靠的,但不太喜欢他们计算超辐射的方式,因此霍金在他们的基础上提出了霍金辐射与霍金温度。

然而这两项理论对霍金来说都是如此的难以接受,因为他从自己的证明中得出的却是贝肯斯坦的论断是正确的结论!

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于是经过了半年多的努力,霍金终于在1974年证明了黑洞确实有热辐射,黑洞的温度是真温度,而黑洞表面积确实是熵,就是黑洞熵。

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霍金的黑洞热辐射论文

就是有了和贝肯斯坦的这次大论战,可以说是促进了黑洞研究的大进步,严格证明黑洞有热辐射是霍金一生中最卓越的成就,后来人们就把黑洞热辐射称为霍金辐射。

第二次论战

随着第一次论战的结束,霍金在首次论战中的落败也让自己得到了更多学术上的醒悟。

但是,随之另一个问题就来了,很多人开始指出在霍金的理论中提到的黑洞辐射并不包括黑洞内部物质的任何信息,因此是否一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后,其中的所有信息就都随之消失了?

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因此广受热议的“黑洞信息悖论”便由此诞生,其实在该悖论中提出了一个疑问:那些落入黑洞的信息发生了什么?

为了解释黑洞里的信息到底去哪里了,为什么会消失,

霍金提出了黑洞可能可以通往另一个宇宙空间,这正好可以用来解释被黑洞吞噬的物质和能量去了哪里。

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但这个观点却受到了当时量子物理学者的质疑,其中叫嚣最猛的就是美国加州理工学院理论物理学家约翰·普瑞斯基尔

这哥们是完全反对霍金的观点,他们认为,如果被黑洞吞噬的信息消失的话,这将违背物理学的根本定律,极大的动摇人类迄今为止所构建的物理学根基。

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为此霍金和约翰·普瑞斯基尔进行了20世纪最为著名的一次打赌,也是霍金的第二次论战,赌注竟然是:

输者向胜者提供一部百科全书……

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这次的论战一战就是20年,一直到2004年,霍金的态度却发生了让人大吃一惊的逆转。

他在都柏林举办的“第17界国际广义相对论和万有引力大会”上表示了自己对有关信息,问题的看法错了,他重新的进行了早期的计算,得出了这样的结论:

“黑洞里没有我曾设想过的子宇宙分支,物质信息仍然牢牢地保存在我们这个宇宙里。我很遗憾这让科幻迷们失望了,但如果物质信息被保存了,我们就不可能利用黑洞去别的宇宙空间旅行。

如果你跳进一个黑洞,你的物质能量将以一种‘被撕裂’的形式返回到我们的宇宙中,其中包含你以前的信息,但是已经处于无法辨认的状态。”

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霍金自败赌局的言论掀起了轩然大波,无数霍金的支持者顿时感到信念崩塌,毕竟苦苦研究了几十年,却在一朝之间被全盘否定。

“科学赌徒”霍金?

当上面这个集科学研究、写书和出演影视角色配音于一身的霍金站在你面前,你可曾想过他是个知性“赌徒”,而且还是一位“赌性”难改的著名赌徒?

不过相对于他在学术上取得的惊人成就而言,霍金押赌的本事却要逊色许多,十赌九输的他因此得到一个“赌亡”的昵称。

栗如

1974年,霍金和索恩打赌,赌的就是当时被人们普遍怀疑是黑洞的天鹅座X-1不可能是黑洞,而赌注却是一年的色情杂志《阁楼》,后来天鹅座X-1的黑洞身份被证实,霍金真的给索恩订了一年的《阁楼》,结果被索恩的老婆臭骂了一顿。

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栗如

2000年,霍金下注100美金,赌“上帝粒子”希格斯玻色子不会在任何对撞机上被发现,引发了宇宙物理学家和粒子物理学家之间旷日持久的口水战。

2012年7月,欧洲核子研究中心宣布在LHC上发现了一个很有可能是希格斯玻色子的新粒子,霍金只好认赌服输,给希格斯寄去了一张100美元的支票。

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其实关于霍金的这些“赌博”而言,霍金曾解释过他自己的“赌博”观:

如果自己输了,对方将会贡献一个很伟大的科学发现,而反过来自己如果赢了,那对于科学界来说可能不会带来什么,但是至少自己能赢得赌注,也不会不开心。

那么你们现在知道霍金好赌,可是在超模君眼里,在这些好赌的背后,却是霍金本人对待科学研究最真挚的热情。

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霍金用一生的时间去攀爬物理科学的高峰,支撑他的是探索自然追求真理的科学精神,与决不苟活务求意义与价值的生命精神。

他的人生就是要告诉全世界,任何时候都要积极对待生命的存在,任何生活中的挫折和烦恼都不应该成为放弃的理由。

一段生命终将消逝,但他则选择了用生命中最耀眼的光辉去照亮了前程。

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作者简介:超模君,数学教育与生活自媒体博主,新晋理工科奶爸。出版过《芥子须弥 · 大科学家的小故事》;《数学之旅·闪耀人类的54个数学家》。后续数学文化创意多多,欢迎关注认识!

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