时空行者 史蒂芬.霍金

在剑桥大学的档案室里,收藏着史蒂芬霍金的博士论文,题为:《膨胀宇宙的性质》(Properties of Expanding Universes),上头盖有日期印戳一九六六年二月一日。那时的他是二十四岁。论文的开章写着:“本文探讨了膨胀宇宙的一些含义与后果……”这些是由珍帮忙打字的,因为霍金在那时已经无法做这些事了。接下来有四个章节,其中包括一些打叉删除的段落,以及手写的方程式。最后一章,约有二十页,就是让霍金在同行中享有盛誉的那一章。

 霍金在一九六二年十月进入剑桥大学。在头两年的博士生活里,他结交了几位终生的好友,同时也结婚成家,但在物理上,却还处于漂泊状态。他投身于广义相对论的研究,试着解决几个他与他的指导教授夏玛都认为重要的问题,但并没有什么重要的发现。

这些问题,主要写在他论文的前三章,内容平凡无奇。它们是对一些主题的独立数学分析,内容还算有趣,主要是从数学的角度,去批判霍伊尔的稳态理论。然而,这些工作有些漏洞,留有一些尚未回答的问题。除此之外,光凭这些章节,还不足以让霍金取得博士学位,而且一定无法让他成为名人。然而,要感谢霍金愈来愈熟悉一位三十三岁数学家的研究工作,他就是潘洛斯(Roger Penrose)。霍金的论文加了第四章,与另外三章的关系不大,而这就是即将让霍金生涯起飞的那一章。在一九六五年一月,霍金听说了潘洛斯的研究,那时他在伦敦的国王学院(King’s College)举办一场研讨会。霍金比潘洛斯小十岁,也出席了那场研讨会,但不巧的是,他刚好没去听潘洛斯主讲的那一场。所幸,他从剑桥大学研究室室友卡特(Brandon Carter)那里听说了潘洛斯的研究。

如果,在宇宙的故事里,考虑把所有物质拉向所有其他物质的吸引力是一件重要的事,那么另一件同样重要的事就是:恒星的故事。例如,可能会有人怀疑,恒星不会因为自身巨大的万有引力而崩陷(collapse)?这个问题的答案是因为恒星内部的核反应。核反应提供恒星热能,赋予组成恒星的气体分子一个膨胀的趋势,平衡了因重力吸引而产生的压缩效果。潘洛斯在那场研讨会所讨论的内容是,当一个巨型恒星耗尽它的核燃料之后,开始冷却下来的事。此时,这个垂死的恒星会因它自身的重力吸引而崩陷。

潘洛斯理解到,恒星的崩陷是一个复杂而混乱的过程,而且未必会维持原本优美的球形对称。由此得出的推论是,会有两种可能的崩陷剧本。首先是大霹雳理论的“怀旧”版本,亦即质点会如滑冰般彼此错身而过:当恒星在崩陷时,它的所有组成都会朝着中心掉落,但不会全都精准地掉向同一个点。它们可能会像赛跑一般,彼此超越对方,从而开始一个新的膨胀阶段。另一个可能则是,尽管这是一个混乱的崩陷过程,但是所有的组成分子全部都会精准地瞄向球心掉落,在那里,所有的质点全都会挤压到一个单一的点,形成一个物质密度无限大的点。

潘洛斯最终证明出来,第二个剧本正是爱因斯坦方程式所要求的解答。稍后在一九六九年时,物理学家惠勒(John Wheeler)以“黑洞”(black hole)来称呼这一类死亡的恒星,也就是会在中心点位置形成一个密度无限大的死亡恒星。然而在一九六五年的时候,人们对这个议题的兴趣还不足以让它有个大家都接受的名字。

当某个点的物理量为无限大时,物理学家称这样的点为奇异点(singularity)。物理学家不喜欢奇异点,因为我们不喜欢无限大。我们不喜欢无限大是因为,虽然在数学上可能存在无限大,但是真实的世界里不会出现无限大。所有我们测量的东西,都不会出现无限大,因此如果有理论预测出奇异点,那么这个理论一定是错的。

作为变通的办法,物理学家试着要替这个奇异点找到一个表示方式,来让大家可以就此讨论。他们设想了几个方案。其中之一是指出,爱因斯坦的理论不是一个量子理论,所以在恒星崩陷的过程中,当它的尺寸小到某个程度时,在没有量子修正(尚未发明)的情况下,爱因斯坦的理论自然是不适用的。这个修正会消除奇异点吗?我们不知道。另一种说法是,因为我们无法看到黑洞的内部,所以这个奇异点是永远被隐藏起来的、是不可观察的,因此可以不必在意它的存在。这个说法听起来很合理,但是事情并没有这么简单。黑洞可以旋转,而且根据一些只有少数内行人才懂的复杂计算显示,黑洞的旋转可能会暴露出奇异点。因此,关于这个说法,至今仍然没有定论。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/wuli/200.html