物理学科普：霍金到底伟大在哪儿？为了解释这两端的现象

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□英国那些事儿

3月14日，霍金先生离我们而去了。他或许称得上是当代社会最著名的物理学家。但对于大部分人来说，“霍金到底伟大在哪儿？他为何而出名？”却是一个很难回答的问题。

这一切，都要从我们该用什么理论解释这个世界的一切说起。

经典物理学

从16世纪起，伽利略、开普勒、惠更斯……一批又一批的科学家，把他们观察的目标对准了宇宙，尝试解释更多的天文现象。然而，这样的物理，是有局限的。我们观察到的范围很有限，我们能实验的范围也很有限。

直到牛顿横空出世。

他的伟大不但在于他试验和总结得出了“f=ma”这个公式，更关键在于他认为这个公式适用于世界上的所有物体，小到一个苹果、皮球，大到宇宙的太阳和星系……

在F=ma之上，牛顿用数学和各种公式设立了一整套物理体系，他把力、速度、加速度、能量、动量等等各种概念都严格的定义了出来，用数学的方式找到了它们之间的关系……牛顿还通过了大量实验，证明了任何两物体之间都存在着吸引力，总结出了万有引力定律。

人们第一次发现，世界上的很多东西，用牛顿的这套理论可以精确的计算出来了。而牛顿的这套理论，被称为——经典物理学。

黑洞

然而，随着我们对这个世界了解的不断深入，科学家们发现，在很多领域，牛顿的经典物理学解释不了他们发现的现象了！出现偏差的部分，主要来自极大和极小的两端。

一个最简单的例子，在牛顿的体系里，如果加速度保持不变，那物体的速度应该会达到无穷大，可是现实世界里，为什么我们没有能找到任何一个物体的速度能突破光速？

为了解释这两端的现象，两个截然不同的科学体系出现了：那就是解释宏观（也就是极大）体系的爱因斯坦的相对论，以及解释微观（也就是极小）体系的普朗克的量子力学。

1910年，爱因斯坦的相对论横空出世。爱因斯坦用另外一种体系解释了我们的这个宇宙。

就拿地球为什么会绕着太阳运转举例。牛顿认为，在巨大的物体附近，存在着一种“力场”。这种力场就像磁场一样，对其中的其他物质有吸引力。正如同太阳吸引着地球，地球吸引着月球，甚至地球吸引着那个苹果。

而爱因斯坦的相对论认为，引力本身就是时空的一部分，是时空的几何属性。当物体的质量大到一定程度，其附近的空间就会产生扭曲，从而改变周边一切物体的运动模式。比如地球绕着太阳转，卫星绕着地球转……

据此，科学家推断出了一个在当时看来近乎天方夜谭的观点：如果有一个质量极大的恒星，它自身产生的重力也无比巨大，最终恒星必定会因为不堪自身重负而坍缩成一个密度和曲率都无穷大、体积无穷小的点。在这个点的周边，会创造出一片引力极强质量极大、连光都无法逃出的特殊区域。在时空的维度上，就像一个无比深凹的洞。科学界给了一个简单的名词：黑洞。

而霍金的理论主要就解释了两大问题：黑洞的中心究竟是什么？在黑洞的边缘发生了什么？

1970年，霍金与罗杰·彭罗斯合作，用严谨数学推理证明：如果你能进入黑洞中心，就会发现里面关于黑洞的所有质量，都会汇聚到一个点上——奇点，一个体积无限小、弯曲无限大、密度无限大、引力无限大的一个点。

之前，人们对奇点的形成有所争论，认为在形成奇点的过程中会发生其他的事情。而霍金和彭罗斯一起，从理论上，证明了黑洞中心奇点的存在。这也是他学术生涯中第一个举足轻重的定理：奇点定理——黑洞的中心存在一个奇点。

霍金辐射理论

那黑洞的边缘又会发生什么?

最初的时候，霍金也跟主流科学界一样，认为黑洞是一个只吞不吐，永远吃进周围的物质，质量不断增加的物体。然而经过思考和研究，他创立了一个理论：黑洞确实在放出黑体辐射，而且黑洞的质量，是在不断减少的。这一切，被称为“霍金辐射理论”。

为了解释自己的这个理论，霍金在学术界破天荒地用了相对论之外的另一套物理体系来解释自己的理论——量子力学！

量子力学告诉我们，时空是分散的。在真空中，随时会凭空出现一对虚粒子对：一个正粒子和一个反粒子，一个携带正能量，一个携带负能量。这些虚粒子会凭空出现，存在极小的一段时间，然后又相互碰撞结合而湮灭。因为他们存在的时间极其短而无法被检测到，所以将他们称为虚粒子。

而霍金，把这个理论，用在了黑洞的边缘上。霍金认为，如果刚好有一对虚粒子，产生在黑洞的这个边缘，由于黑洞的引力很强，有可能有一个跌入黑洞，而另一个没有。因为两个虚粒子一个有正质量，而一个有负质量，因此被吸入的，是负质量的那个。

按照量子理论，这正反粒子应该是一出现，马上就会互相碰撞湮灭掉而达到能量守恒的，然而在这种情况下，一个粒子被吸入黑洞，另一个粒子没法跟它碰撞湮灭。一个虚粒子，变成了一个有正能量的实粒子。那这个能量是哪来的？

霍金的解释是，这个离开黑洞的粒子的质量，一定是从黑洞本身的质量而来的。黑洞吞了一个负能量的粒子，减少了自己的质量，而有另一个含有能量的粒子离开了黑洞。这一切，在外面看来，就像黑洞在发射粒子一样。这些粒子是从黑洞边缘空虚的空间里变出来后逃逸出来的，但是逃逸过程中带走了黑洞的能量。

与此同时，坠入黑洞的粒子质量为负，在它们的作用下，黑洞变得越来越小，直至消失。当然了，这个过程非常非常漫长。由于体积不断变小，黑洞自己也有生命的终点。它最终会变成一个迷你黑洞，在黑洞生命最后阶段的时刻，这个迷你黑洞会爆炸，其威力相当于100万颗百万吨级的氢弹。在一场大爆炸中，黑洞的一切，灰飞烟灭，黑洞的奇点也会爆炸。

我们现在所处的宇宙，曾经就是一个奇点，即所谓的宇宙大爆炸奇点。随着这个奇点爆炸，这才形成了星系、恒星、行星以及此刻拿着手机缅怀他的你和我。

世间万物，都由此而来，这就是宇宙的起源。

在宏观和微观的世界上，我们创立了两种不同的体系来解释不同的事物。多少年来，科学界一直想找出一个方法，能够统一相对论和量子力学。然而这一直没有谁能完成，而霍金用相对论和量子力学来解释黑洞边缘，来解释黑洞质量减少的理论，却是在当时走出了这大一统的第一步。

（据3月14微信号“英国那些事儿”）