霍金一生对人类影响最大的成就是什么?他为什么没有获得过诺贝尔奖?
文:Peter Guzzardi,张双南
2018年3月14日,霍金离开了我们,飞向了他热爱的宇宙与群星。
提到霍金,可能我们首先想到的是这样的形象:依靠轮椅才可行走、通过电脑才可发声的“渐冻人”天才。他不自然的表情和充满未来感的“代理声音”,让他被不了解物理学的人也广泛认知。
多了解一些的人或许知道,霍金是那位著有《时间简史》的物理学家,他的重要理论是围绕宇宙与黑洞展开的。如果你是影迷,可能还看过2014年霍金青年时代传记影片《万物理论》,其中霍金的出演者埃迪·雷德梅恩在第二年的奥斯卡拿下了最佳男主角。
霍金传奇的一生中究竟做出了哪些学术贡献?
霍金的第一次重大突破发生在1970年,当时他和罗杰•彭罗斯将黑洞的数学运用到了整个宇宙中,并表明在我们遥远的过去存在一个奇点,一个无限弯曲的时空区域:大爆炸的起点。
年轻时的霍金和他的妈妈。
他关于黑洞辐射热量的提出引发了现代宇宙学当中最有争议的讨论之一。霍金提出如果黑洞可以消散成放射池,那么在它存在时所有进入其中的信息将会全部永久消失。这与量子力学的一个最基本的定律相矛盾,许多物理学家都不认可。
霍金的一系列发现让他在1974年的时候入选英国皇家学会,那时候他才32岁。五年之后,他担任了剑桥大学的卢卡斯数学教授,这是英国最受人尊敬的职位,坐上此位的还有艾萨克•牛顿、查尔斯•巴贝奇和保罗•狄拉克,后者是量子力学的奠基人之一。霍金在此职位三十年,后来成为理论宇宙学中心的研究主任。
霍金的最大成就当属“黑洞蒸发”理论,也就是我们平常说的霍金辐射。1974年,霍金继续发展了他的“黑洞”理论,认为黑洞不断释放质量并且蒸发。对于一个太阳大小的正常黑洞来说,它蒸发需要的时间比宇宙的年龄还要长。 但在它们生命的尽头,会以惊人的速度释放热量,最终以百万吨级氢弹的能量爆炸。
霍金的开创性贡献一直持续到20世纪80年代。宇宙膨胀理论认为,刚诞生的宇宙经历了一段惊人的扩张时期。 1982年,霍金率先证明了,物质分布的微小变化,如何引起星系在宇宙中的扩散。在这些微小的涟漪中,诞生了我们所知道的恒星,行星和生命的种子。麻省理工学院物理学教授马克斯•泰格马克说:“这是科学史上最美丽的想法之一。”
但是最后是《时间简史》让霍金一夜之间成为科学明星。这本书 1988 年首次出版,在畅销书排行榜上呆了史无前例的237周。它印成各种语言,卖出了1000万本。一部分功劳归功于霍金在出版社的编辑彼得•古扎第,他给这本书起了一个标题:“从大爆炸到黑洞:时间简史”,让这本书变得更有吸引力。
霍金也许不是他那个时代的最伟大的物理学家,但在宇宙学上,他是一个杰出的人物。 科学价值也许没有完美的评估尺度,但霍金获得了爱因斯坦奖、沃尔夫奖、科普利奖章和基础物理奖。
然而他却没能受诺贝尔奖青睐。原因究竟是什么?
对于这个问题,霍金本人曾经这么回答记者:因为我的黑洞蒸发还没有被观测或者实验所证实。既然霍金这么回答,很显然他认为自己最值得获得诺贝尔物理学奖的学术成就就是霍金辐射。
霍金辐射的理论基础非常牢靠,而且宇宙中黑洞很多,所以霍金辐射应该是存在的。但是既然还没有被观测到,那就只能还是理论模型,未经实验或者观测验证的理论模型就仍然有可能不正确,不管多么合理和漂亮。既然有可能不正确,诺奖委员会当然就不会给霍金颁奖。
实际上,复旦大学的施郁教授去年预测了霍金会由于引力波的发现获得诺奖,因为引力波的观测结果还真的验证了霍金的另外一个重要工作,就是黑洞的面积不减定理。但霍金的最大成就是霍金辐射,既不是黑洞的面积不减定理,也不是他和彭罗斯一起证明的宇宙奇点定理,如果不以他的最重要成就授予他诺奖,至少也得是以终身成就获奖,以他的黑洞面积不减定理授奖是太明显的安慰奖,会让人不服。
而在霍金去世后,诺奖会如何定夺?但这或许不重要了,毕竟霍金的一生已经获得无数荣誉,他的传奇已经足够丰满。
致敬这位伟大的天才。
施郁
(复旦大学物理学系教授)
如果从广义的“成就”来说,带点脑筋急转弯,霍金一生对人类影响最大的成就是,作为渐冻 (运动神经症) 人,对物理学和天文学作出巨大成就,鼓舞了全世界人民!
如果从狭义的成就上来说,他最大的成就是预言了黑洞的蒸发。本来,黑洞是经典广义相对论中的概念,然而1974年,霍金天才地将量子力学用在这里,证明了黑洞可以辐射出粒子,由此黑洞质量不断减小,整个黑洞就会蒸发。这超越了经典引力理论,因为根据经典引力理论,黑洞的面积(正比于质量的平方)不能减小,这就是霍金本人几年以前提出来的黑洞的面积不减定理。到了1970年代末,霍金辐射被科学界普遍接受,霍金也声名鹊起,成为英国皇家学会会员。 在科学研究上,霍金进一步向量子引力和量子宇宙学进军。霍提出当时刚刚由古斯等人提出的宇宙暴胀理论中提出一个新理论。他又与哈特尔提出宇宙无边界条件,声称在普朗克时间阶段,宇宙时空没有边界,因此在宇宙大爆炸之前,没有时间的概念,所以“宇宙大爆炸之前”的问题没有意义。
霍金没有获得诺贝尔奖,是因为长期以来,他的理论工作没有实验或观测检验。但是其实,2016年公布的2015年引力波的直接探测已经改变了这一点,因为这个引力波(以及后来又探测到的几次)来自两个黑洞并合成为一个大黑洞。比较并合前后黑洞的总质量可以发现,大黑洞的质量平方大于原来两个黑洞的质量的平方的和。这就证明了霍金的黑洞面积不减定理。
因此去年诺奖公布前,我曾经呼吁(或者说“预测”)霍金分享2017年诺奖。可惜诺贝尔奖委员会没有征询我的意见……
霍金教授这个人还是很牛的。国外一些科学家甚至认为,霍金就是当世最强。总体来说,我和一些主流科学界的人观点基本一致,霍金的成就接近杨振宁,属于当世第一阶梯之列。假设科学成就可以量化为数字,杨振宁有100分,霍金就有至少85分以上,甚至可以达到90分以上。
霍金对宇宙学的贡献很大,主要集中在相对论和黑洞方面,提出了一些著名的理论,比如,霍金辐射等等。一个理论物理科学家,能够享有如此只盛名,不仅仅是因为他在科学研究上的巨大成就,而是他具有一定的社会宣传价值。比如,霍金是一个渐动人,他本该在几十年前就死去,结果熬了下来,还成为一个成就斐然的大学者,这个故事非常励志,无疑增添了他的光环。
霍金的社会意义,早就超越了科学领域,而是延伸到思想界。作为卡尔萨根去世以后,布莱克也撒手人寰之后,全世界科普界头一号的大V,霍金已经成为一个当之无愧的超级偶像,影响了几代人,在几十亿人之中都是一个鲜明的符号。在很多人看来,霍金这个词就可以等同于宇宙学。许许多多的人,是因为先知晓了霍金的事迹,之后才爱上宇宙学的。
霍金在思想界的贡献,在于他是极少数公开否认上帝信仰的伟大科学家。被誉为“当代爱因斯坦”的斯蒂芬•霍金在2010年9月9日正式出版的《伟大的设计》一书中,则公开否定“上帝”了。因此,霍金遭遇了很多保守势力的批评,甚至就是攻击。不过,霍金是勇敢的。他并不惧怕批评。就冲这一点,他就值得我一万分敬重。
霍金去世了。他不能获得诺贝尔奖了。因为诺贝尔奖只能颁发给活着的人,而霍金是有可能获得这个奖的,只差一步之遥。真是遗憾。
历史上苏联挖了1万多米深的“超级钻探”发现了什么?科拉超深钻孔下隐藏着什么?
我是水煮汗青,我来回答。
苏联挖出了世界上最深的钻井,深度达到了12262米,创下了当时的世界纪录。但是这个创纪录的大工程却是与美国怄气的结果!
1947年,美国和苏联之间的冷战爆发,双方分别在不同的领域互相较劲,总是想超过对方。美苏冷战时期流传着一些有趣的小故事:
美国和苏联都成功进入太空,美国宇航员为了能够在太空中进行记录书写,花费了很大的精力才研制出一种可以在太空使用的笔。后来美国人在苏联面前炫耀自己的研发成果,苏联宇航员说:“其实我们一直用铅笔。”
苏联研制出一款3马赫的飞机——米格25,这是一架可以超过3倍的音速的飞机。这种飞机最难解决的就是机身散热问题,除非使用钛才可以,但当时全世界一年的钛产量都不够组装一台飞机,苏联却做到了。最后美国人有机会近距离接触这架飞机的时候,忍不住用手摸一下机身,顿时傻了:“不锈钢的?”
在美苏冷战期间,这样的事件非常多,双方为了在各个领域超越对方,不惜花血本去研发。“超级钻探”计划就是在这样的时代背景下产生的。
超级钻探计划——揭开莫霍面以下的秘密
自从莫霍面理论提出来后,科学家们都非常想知道莫霍面以下的地幔是什么岩石构成的。为了解决这一疑问,美国科学家最先提出“钻探计划”,把地壳钻穿就可以知道下面是什么情况了。
于是以赫斯为首的美国科学家们向政府提出这一计划,很快就通过了,并筹集到了研发资金。有了批准,有了资金,赫斯的团队就开始这一计划,他们从海底往下钻,这样是最快捷的方案。然而计划开展没多久,他们就因为经费不足而取消了这一计划。
苏联听到美国的钻探计划停止了非常开心,决定要趁这个机会在地底探索领域超越美国。
1970年,苏联的“超级钻探”工程开始了,随便着钻头往下钻探,埋藏在地底的秘密也不断地浮现出来:挖到3000多米的时候发现了多细胞生物;挖到6700米的时候发现了200万年前的微生物化石;挖到有热泥浆的时候,还有大量的氢气冒出来;挖到差不多1万米的时候,发现那里的黄金含量超高,比商业开采的金矿还要高出20倍!
1993年的时候,超级钻探已经挖到了12262米,这时候研发经费也用光了,工程只能停工。不过这个深度已经远远超过美国,成为当时世界上最深的钻井!
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历史上的苏联,是地球上除了美国以外的两大超级大国之一,无论在太空领域,还是在军事领域还有综合国力,都能和美国一较高下,美国领导了北约,它组建了华约,在各个方面都要和美国比一比,在这个大环境下,1970年,就提出了要在超深钻井这一项目上领先美国,于是就有了科拉超深钻井的出现。
科拉超深钻井位于科拉半岛临近挪威的地区,于1970年5月24日正式开始,集中了当时苏联的上万科研人员,所有参与这个项目的人员都在莫斯科分了一套公寓,而且月薪是一般大学教授的年薪,在原苏联地质部长的直接领导下进行,投入不可谓不大。
该项目从开始到结束持续了24年,头13年钻探深度达到了12000米,后十年,官方给出的理由是经费不足,陆陆续续只钻探了262米,最终达到了12262米,也是迄今为止地球上人工钻探最深的钻井,记录到今无人能破。
钻井过程中遇到的难题不是常人能够想象的,最大的问题就是越钻往深处,地下的温度就越高,普通钻头耐不住高温,钻不了几米就融化了,所以为此,苏联科学家还专门为此研究了几十个耐热钻头,可以在超过300度以上的高温环境下进行掘进,而且也取得了一定的科学成果和发现,比如在地下9500米发现了富金矿和钻石矿,其中金矿的含金量高达每吨80克,要知道,正常的金矿只要每吨达到4克就具备商业开采价值,这简直就是超级富矿。
科拉超深钻孔项目的出现,也是苏联空间站,深海勘探船后的又一个重大科研成果,凑齐了海陆空,直到现在也是它的继任者俄罗斯科学家的骄傲,但是为什么最后停止了并且钻孔现在已经废弃,官方给出的说法是资金不足,无以为继,但是网上流传这一种说法,我们来说说。
最早不同说法是从芬兰的一家报纸报道的,说是消息源自参与了该项目的苏联地质学家狄米尔.阿撒哥夫博士的爆料。说钻孔达到了12000多米时,钻探机出现了巨大的异常,显示地底有一个巨大的空间,而且有奇奇怪怪的声音传出来,于是科学家们就向井中放入了一个耐热的收声话筒和其它的传感器,结果录下了类似人类在哀嚎的惨叫声和自然界没有听到过的剧烈爆炸声,而且,据温度显示器显示,那里的温度高达摄氏1000度以上,随着大家心里不安的加剧,所以决定收回钻探针,谁知跟随着探针收回的除了洞口喷出的高温气体,还有一头长着獠牙的巨大怪物从里面飞出来,不停尖叫着飞向远方。
所以该事件的出现也有小道消息称苏联人钻探,钻到了地狱,打开了地狱之门,所以要紧急停止该项目,并不是说没钱了,而且网上也流传有据说是当时录下的地底的声音,本人也在网上听过,因为杂音的关系,多少还是有点让人毛骨悚然,不过真伪就不好说了。大家怎么看呢?
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