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什麼是”奇性定理”?

就是七十年代,他和彭羅斯證明的奇性定理

最佳解答:  霍金時間簡史

書 摘

在這本書裏霍金試圖要做的是(一個方程也不用除了愛因斯坦E=mc^2)以一種沒有受過科學訓練的人也能理解的形式來加以陳述,大家都感興趣的問題,真正導致我研究宇宙學和量子理論動機的問題:宇宙從何而來?它爲什麽,怎麽樣開始的?它會有末日嗎?如果有的話,會發生什麽?並回答愛因斯坦著名的關於上帝在創生宇宙時有無選擇性的問題。 雖然現代科學變得如此之技術化,以至於僅有極少數的專家能掌握解釋這些問題所用到的數學,霍金認為關於宇宙的起源和命運的基本概念則可以離開數學。

導 讀

1. 宇宙論是一門既古老又年輕的學科。作爲宇宙裏高等生物的人類不會滿足於自身的生存和種族的綿延,還一代代不懈地探索著存在和生命的意義。但是,人類理念的進化是極其緩慢和艱苦的。

(1) 從亞里斯多德——托勒密的地心說到哥白尼伽利略的日心說的演化就花了2000年的時間。

(2) 儘管人們知道世間的一切都在運動,只是到了本世紀20年代因哈勃發現了紅移定律後,宇宙演化的觀念才進入人類的意識。人們甚至從來沒有想到過宇宙還會演化。

(3) 牛頓的萬有引力定律表明,宇宙的物質在引力作用下不可能處於穩定的狀態。

(4) 即使在愛因斯坦的廣義相對論中,情況也好不到哪兒去,爲了得到一個穩定的宇宙模型,他曾將宇宙常數引進理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩定的宇宙模型。可見,宇宙演化的觀念並不是産生於這些天才的頭腦之中。

2. 將哈勃的發現當成現代宇宙論的誕生是公平的。哈勃發現,從星系光譜的紅移可以推斷,越遠的星系以越快的速度離開我們而去,這表明整個宇宙處於膨脹的狀態。從時間上倒溯到過去,估計在100億到200億年前曾經發生過一樁開天闢地的大事件,即宇宙從一個極其緊致、極熱的狀態中大爆炸而産生。伽莫夫在1948年發表的一篇關於熱大爆炸模型的文章中作出了一個驚人的預言,早期大爆炸的輻射仍殘存在我們周圍,不過由於宇宙膨脹引起的紅移,其絕對溫度只餘下幾度左右,在這種溫度下,輻射是處於微波的波段。但在1965年彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙微波背景輻射之前,人們並不認真對待此預言。

3. 一般認爲,愛因斯坦的廣義相對論是用於描述宇宙演化的正確的理論。在經典廣義相對論的框架裏,霍金和彭羅斯證明了在一般的條件下,空間——時間一定存在奇點,最著名的奇點即是黑洞裏的奇點以及宇宙大爆炸處的奇點。在奇點處,所有定律以及可預見性都失效。奇點可以看成空間時間的邊緣或邊界。只有給定了奇點處的邊界條件,才能由愛因斯坦方程得到宇宙的演化。由於邊界條件只能由宇宙外的造物主所給定,所以宇宙的命運就操縱在造物主的手中。這就是從牛頓時代起一直困擾人類智慧的第一推動問題。

4. 如果空間——時間沒有邊界,則就不必勞駕上帝進行第一推動了。這只有在量子引力論中才能做到。霍金認爲宇宙的量子態是處於一種基態,空間——時間可看成一有限無界的四維面,正如地球的表面一樣,只不過多了兩個維數而已。宇宙中的所有結構都可歸結於量子力學的測不准原理所允許的最小起伏。從一些簡單的模型計算可得出和天文觀測相一致的推論,如星系、恒星等等的成團結構,大尺度的各向同性和均勻性,空間——時間的平性,即空間——時間基本上是平坦的,並因此才使得星系乃至生命的發展成爲可能,還有時間的方向箭頭等等。

5. 霍金的量子宇宙論的意義在於它真正使宇宙論成爲一門成熟的科學,它是一個自足的理論,即在原則上,單憑科學定律我們便可以將宇宙中的一切都預言出來。

6. 霍金是當代最重要的廣義相對論家和宇宙論家

(1) 1970年代他和彭羅斯一道證明瞭著名的奇性定理,獲得1988年的沃爾夫物理獎。

(2) 證明了黑洞的面積定理,即隨著時間的增加黑洞的面積不減。這很自然使人將黑洞的面積和熱力學的熵聯繫在一起。

(3) 1973年,他考慮黑洞附近的量子效應,發現黑洞會像黑體一樣發出輻射,其輻射的溫度和黑洞質量成反比,這樣黑洞就會因爲輻射而慢慢變小,而溫度卻越變越高,它以最後一刻的爆炸而告終。黑洞輻射的發現具有板其基本的意義,它將引力、量子力學和統計力學統一在一起。

(4) 1974年研究轉向量子引力論,發現的特徵有:空間——時間在普郎克尺度(10^-33釐米)下不是平坦的,而是處於一種泡沫的狀態。在量子引力中不存在純態,因果性受到破壞,因此使不可知性從經典統計物理、量子統計物理提高到了量子引力的第三個層次。

(5) 1980年轉向量子宇宙論。

7. 霍金自認一生貢獻在經典物理的框架裏,證明瞭黑洞和大爆炸奇點的不可避免性,黑洞越變越大;但在量子物理的框架裏,黑洞因輻射而越變越小,大爆炸的奇點不但被量子效應所抹平,而且整個宇宙正是起始於此。理論物理學的細節在未來的10-20年中可能還會有變,就觀念而言已經相當完備。

(The Open Society Center -Taipei 製作/版權所有)

資料來源:http://www.superlogos.com.tw/main1/bk-m1/01-1.pdf

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史蒂芬‧霍金 (Stephen Hawking)

  霍金於1942年1月8日生於牛津,那一天剛好是伽利略逝世三百年。可能因為他出生在第二次世界大戰的時代,所以小時候對模型特別著迷。他十幾歲時不但喜歡做模型飛機和輪船,還和學友製作了很多不同種類的戰爭游戲,反映出他研究和操控事物的渴望。這種渴望驅使他攻讀博士學位,並在黑洞和宇宙論的研究上獲得重大成就。


  霍金十三、四歲時已下定決心要從事物理學和天文學的研究。十七歲那年,他考到了自然科學的獎學金,順利入讀牛津大學。學士畢業後他轉到劍橋大學攻讀博士,研究宇宙學。不久他發現自己患上了會導致肌肉萎縮的盧伽雷病。由於醫生對此病束手無策,起初他打算放棄從事研究的理想,但後來病情惡化的速度減慢了,他便重拾心情,排除萬難,從挫折中站起來,勇敢地面對這次的不幸,繼續醉心研究。


  七十年代,他和彭羅斯證明了著名的奇性定理,並在1988年共同獲得沃爾夫物理獎。他還證明了黑洞的面積不會隨時間減少。1973年,他發現黑洞輻射的溫度和其質量成反比,即黑洞會因為輻射而變小,但溫度卻會升高,最終會發生爆炸而消失。


  八十年代,他開始研究量子宇宙論。這時他的行動已經出現問題,後來由於得了肺炎而接受穿氣管手術,使他從此再不能說話。現在他全身癱瘓,要靠電動輪椅代替雙腳,不但說話和寫字要靠電腦和語言合成器幫忙,連閱讀也要別人替他把每頁紙攤平在桌上,讓他驅動著輪椅逐頁去看。


  霍金一生貢獻於理論物理學的研究,被譽為當今最傑出的科學家之一。他的著作包括《時間簡史》及《黑洞與嬰兒宇宙以及相關文章》。雖然大家都覺得他非常不幸,但他在科學上的成就卻是在他在病發後獲得的。他憑著堅毅不屈的意志,戰勝了疾病,創造了一個奇蹟,也證明了殘疾並非成功的障礙。他對生命的熱愛和對科學研究的熱誠,是值得年輕一代學習的。

霍金的成就

  霍金是當代最重要的廣義相對論家和宇宙論家。1969年美國科學家約翰惠勒提出黑洞這個概念,20世紀的物理學開始對黑洞有了特殊的注意。1974年霍金透過複雜的計算,得出了一個令學術界感到驚訝的成就,宇宙中黑洞存在有輻射。這個發現使得熱力學、廣義相對論和量子力學出現了新的統一,這意味著人類將改變對物理的理解。70年代他和彭羅斯一道証明了著名的奇性定理,共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎,證明在黑洞裏面,一個星體上所有的物質受到無限擠壓,所有的表明物質存在的狀態都不存在了,這就是說它變成了一個奇點,密度無限大,時間滅絕,所有人類研究出來的定律包括相對論的定律已經不再適用,可以說沒有法則測定會發生什麼。這種秩序和邏輯不存在也許就是科學家起初不願意接受每個黑洞中都可能有個奇點的原因。可是霍金的方程式卻證明瞭宇宙中應該有奇點的存在。

  1980年以后,他的興趣轉向量子宇宙論。他在1982年開始寫《時間簡史》。霍金認為他一生的貢獻是,在經典物理的框架里,証明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性,黑洞越變越大;但在量子物理的框架里,他指出,黑洞因輻射而越變越小,大爆炸的奇點不但被量子效應所抹平,而且整個宇宙正是起始于此。


  從牛頓時代起,物質運動的第一推動力始終在困擾著人類,透過愛因斯坦的相對論已經可以得出宇宙演化的結論,大爆炸理產生了宇宙“奇點”的概念,科學家相信奇點是一個有無限大密度,沒有長、寬、高,即是一切物,又是無物。霍金的貢獻是,在經典物理中證明瞭黑洞和大爆炸的奇點的不可避免,在量子物理的框架裏,指出黑洞因輻射越變越小,大爆炸的奇點不但被量子效應抹平,而且整個宇宙正是從這裡開始的。


  霍金的學術成就在於,他真正使宇宙論成為一門成熟的科學。從哥白尼、伽利略開始,到牛頓、愛因斯坦、哈勃等眾多的科學巨人,帶領人類站在地球上認識宇宙向兩個方向進軍,一方面是朝著無限大的宏觀宇宙發展,另一方面是朝著無限小的微觀領域探索。似乎可以這樣說,霍金的成就是他在發現探索宇宙黑洞的過程中,找到了無限大到無限小之間的聯繫和演變規律。它是人類科學在對微觀和宏觀的認識中找到一個科學的匯合點。這確是人類科學里程碑。

資料來源:
http://hk.geocities.com/khnsuper/hawking.htm
http://hk.geocities.com/khnsuper/hawking2.htm

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史蒂芬‧霍金 (Stephen Hawking) 於1942年1月8日生於牛津,那一天剛好是伽利略逝世三百年。可能因為他出生在第二次世界大戰的時代,所以小時候對模型特別著迷。他十幾歲時不但喜歡做模型飛機和輪船,還和學友製作了很多不同種類的戰爭游戲,反映出他研究和操控事物的渴望。這種渴望驅使他攻讀博士學位,並在黑洞和宇宙論的研究上獲得重大成就。

霍金十三、四歲時已下定決心要從事物理學和天文學的研究。十七歲那年,他考到了自然科學的獎學金,順利入讀牛津大學。學士畢業後他轉到劍橋大學攻讀博士,研究宇宙學。不久他發現自己患上了會導致肌肉萎縮的盧伽雷病。由於醫生對此病束手無策,起初他打算放棄從事研究的理想,但後來病情惡化的速度減慢了,他便重拾心情,排除萬難,從挫折中站起來,勇敢地面對這次的不幸,繼續醉心研究。

七十年代,他和彭羅斯證明了著名的奇性定理,並在1988年共同獲得沃爾夫物理獎。他還證明了黑洞的面積不會隨時間減少。1973年,他發現黑洞輻射的溫度和其質量成反比,即黑洞會因為輻射而變小,但溫度卻會升高,最終會發生爆炸而消失。

八十年代,他開始研究量子宇宙論。這時他的行動已經出現問題,後來由於得了肺炎而接受穿氣管手術,使他從此再不能說話。現在他全身癱瘓,要靠電動輪椅代替雙腳,不但說話和寫字要靠電腦和語言合成器幫忙,連閱讀也要別人替他把每頁紙攤平在桌上,讓他驅動著輪椅逐頁去看。

霍金一生貢獻於理論物理學的研究,被譽為當今最傑出的科學家之一。他的著作包括《時間簡史》及《黑洞與嬰兒宇宙以及相關文章》。雖然大家都覺得他非常不幸,但他在科學上的成就卻是在他在病發後獲得的。他憑著堅毅不屈的意志,戰勝了疾病,創造了一個奇蹟,也證明了殘疾並非成功的障礙。他對生命的熱愛和對科學研究的熱誠,是值得年輕一代學習的。


更詳細 史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking)網頁 ↓
http://www.hawking.org.uk/home/hindex.html
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