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1分钟看懂《时空简史》

《时间简史》是英国物理学家史提芬·威廉·霍金于1988年编写的一本科普图书。讲述关于宇宙的起源和命运,主要介绍了什么是宇宙、宇宙发展的最新状况和关于宇宙本性的最前沿知识,解释了黑洞和大爆炸等天文物理学理论。其中该本著作阐述了关于宇宙时空的三个重要论点,是哪三个论点呢?让我们一起来了解一下

1.奇点

奇点即宇宙大爆炸的起始点,奇点最重要的事实依据是:在1929年,E.P.哈勃通过哈勃望远镜发现了地球之外的星系正在远离地球,而且距离地球越远的星系,逃离的速度越快,根据这也发现就形成了后来物理学上非常著名的哈勃定律,即银河外星系视向退行速度v与距离d成正比,即距离越远,视向速度越大。那也意味着如果距离足够近,那么相对运动的速度约等于0

后来科学家(罗杰·彭罗斯,霍金)根据哈勃定律以及爱因斯坦的广义相对论反推了宇宙的起源-奇点,也是大爆炸宇宙论所说到的一个“点”,即“大爆炸”的起始点。该理论认为宇宙(时间-空间)是从这一“点”的“大爆炸”后而膨胀形成的。奇点是一个密度无限大、时空曲率无限高、热量无限高、体积无限小的“点”,一切已知物理定律均在奇点失效。

我们熟知的物理学定律失效的地点。奇点一般被看成点,但原则上它们可以取一维的线或甚至二维的膜的形式。按照广义相对论的方程式,只要形成了一个无自转的史瓦西黑洞,该黑洞事件视界内部的物质必然在引力作用下塌陷成一个密度无穷大的点,即奇点(罗杰·彭罗斯,霍金)。宇宙从大爆炸开始的均匀膨胀就是这种黑洞坍缩的镜像反转,意味着宇宙诞生在一个奇点中。

2.无边界宇宙

霍金在80年代初,创立了量子宇宙学的无边界学说。他认为,时空是有限而无界的,宇宙不但是自给的,而且是自足的,它不需要上帝在宇宙初始时的第一推动。这是什么意思呢?打个比方我们生活在地球上,但是地球是圆的,我们无论怎么在地上走都找不到地球的地面边界,而在霍金的《时空简史》中,他认为时空可能是像地球一样的,有限但无边界,但我们接近所谓的宇宙边缘时又会回到原点,这也是霍金在时间简史中所阐述的无边界宇宙理论。

宇宙的演化甚至创生都单独地由物理定律所决定。这样就把上帝从宇宙的事物中完全摒除出去。上帝便成了无所事事的“造物主”,它再也无力去创造奇迹。亚里士多德、奥古斯丁、牛顿等人曾在宇宙中为上帝杜撰的那个关于“第一推动”的神话,完全是虚幻的。量子宇宙学的主要预言之一是关于宇宙结构的起源。若干年前,宇宙背景辐射探测者对太空背景温度起伏的观察证实了这个预言。

3.黑洞辐射

在明白黑洞辐射理论之前先让我们来了解一下黑洞是怎样形成的,当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。

根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),正像我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

而黑洞辐射能够让黑洞失去质量,所以当黑洞损失的质量比增加的质量多的时候就会造成缩小,最终消失。而比较小的微黑洞的发散量通常会比正常的黑洞大,所以前者会比后者缩小与消失的速度还要快。有了黑洞辐射理论就能说明如何降低黑洞的质量而导致黑洞蒸散的现象。那么黑洞辐射的原理是什么呢?答案是粒子的不确定性,在微观量子力学世界里存在一种粒子不确定性,即在真空中会瞬间凭空且自然地产生许多粒子-反粒子(虚粒子)对,并且在极短的时间内成对湮灭,在宏观上没有质量产生。当黑洞边缘被黑洞全部吸收为真空时,便会随机产生许多的反粒子,当反粒子的数量越来越多,就会产生黑洞辐射,最终会导致黑洞的蒸散现象.

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