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史蒂芬·霍金关于黑洞的最远见卓识

简介

(Tom Dymond/REX/Shutterstock)

史蒂芬霍金在物理学领域的漫长职业生涯后于今天(3月14日)去世。已故宇宙学家的一些最令人印象深刻的工作是针对黑洞的,黑洞是由无限密度的物质组成的,几乎没有什么东西能逃出黑洞。这些引人入胜的宇宙吸尘器似乎违背了许多关于宇宙应该是什么样子的观念,霍金的工作对于我们进一步了解这些奇异的天体至关重要。从认识到黑洞并不是真正的黑色,到它们可能散发出的“毛发”,以下是霍金关于黑洞的一些最奇怪的想法。[我们从史蒂芬·霍金的书中了解到的8件令人震惊的事情]

黑洞有头发

(NASA/CXC/SAO)

霍金晚年继续发展他的黑洞理论。科学家最初认为黑洞是“光秃的”,这意味着它们的边缘没有复杂的细节,除了质量、角动量和自旋之外,它们都是一样的。但在2016年,霍金和哈佛大学物理学家安德鲁·斯特罗明格(Andrew Strominger)提出,黑洞运动着一束奢华的“头发”———它们是从事件视界散发出来的长股零能量粒子。因此,这个想法是,被黑洞吞噬的一些信息实际上可能存储在这些毛发中。

黑洞可能会

(美国宇航局、欧空局和D.Coe、J.Anderson和R.van der Marel,STScI))

最初,研究人员认为任何东西都无法逃离黑洞,也就是说,当黑洞变得越来越大的时候,所有经过它视界的东西都会被撕碎,吞噬,永远看不到收益。但在20世纪70年代,霍金提出了霍金辐射的概念,这意味着黑洞最终可能会溶解,而不是随着时间的推移而膨胀。这个想法依赖于两个奇怪的现象:量子涨落,亚原子粒子的一种奇异的能力(很少)自发地存在,以及量子隧穿,它允许粒子在不可穿透的屏障中基本上穿过洞穴。例如,物质和反物质粒子有时会突然从虚无中出现,然后相互湮灭,如果这发生在黑洞的边界上,就有可能在黑洞的外部边缘弹出一个粒子并放大到空间中去。所以它的反物质伙伴没有机会消灭它,反而被吸进黑洞中心。随着时间的推移,这将意味着黑洞正在泄漏,最终会缩小尺寸。然而,为了逃逸,粒子需要非常大——与黑洞的大小差不多,这意味着只有非常低能量的光才能从最巨大的黑洞中泄漏出来。到目前为止,还没有人直接测量霍金辐射,但大多数物理学家确信它存在,《生命科学》先前报道,

宇宙起源于奇点

(美国宇航局)

霍金对物理学最早的贡献之一是他在1966年为剑桥大学写的博士论文,在这本书中,他假设宇宙开始时是一个无限小、无限密的物质点卷曲在自己身上,这是第一种概念化大爆炸的现代方式。虽然那个原始星点是一个奇点,黑洞也是一个奇点,但事实证明,宇宙起源的原始物质并不是黑洞,因为物质可以逃离它。相反,另一种可能的,尽管有问题的,概念化的 ... 是“白洞”…根据加州大学河滨分校的数学家约翰贝兹(John Baez)的说法,这是一个时间倒转的黑洞。虽然大爆炸可能不是起源于一个黑洞,但我们必须等到宇宙末日才能发现,贝兹说,

微型黑洞可以为宇宙

提供能量(NASA/JPL Caltech)宇宙中最大的黑洞被认为是超大质量黑洞,它位于星系的中心,比太阳大数十亿倍,而黑洞的质量是太阳质量的10倍。但科学家也提出了一些较小的近亲,这将是一个地球上的山大小。因为它们很小(霍金辐射只有当粒子的波长和黑洞差不多大时才允许粒子逃逸),这些小黑洞可以喷出更高能量的粒子,然后可以用作动力源,霍金在2016年2月2日的一次演讲中说:

“一个山大小的黑洞将以大约1000万兆瓦的速度释放X射线和伽马射线,足以为世界电力供应提供动力。”然而,利用一个微型黑洞并不容易。你不能把它放在一个发电站里,因为它会从地板上掉下来,最后落到地球的中心。

黑洞没有边界

(美国宇航局E/PO,索诺玛州立大学,极光西蒙内)2014年的

,霍金甚至质疑黑洞的一个基本概念,即任何东西都无法逃脱的事件视界。霍金在预印本网站arXiv.org上的一篇论文中提出,事件视界不是一个固定的边界,而是根据黑洞中的亚原子粒子所达到的程度而发生了剧烈的移动。波动黑洞边界的概念是为了解决所谓的防火墙悖论而发展起来的。它来自于这样一个事实:当一个宇航员漂流到黑洞中时,当他越过视界时,他不会注意到任何异常,因为他将自由落体,不会受到任何力的作用。然而,霍金辐射预测说,应该有一个“地狱之环”就在事件视界内,它会在宇航员有机会被黑洞吞噬之前将其焚化。缺乏固定的事件视界是为了调和这两个概念,尽管当时的物理学家说霍金的解释并没有做到这一点。

最初发表在《生命科学》杂志上。

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