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著名科学家、科普作家斯蒂芬·威廉·霍金（以下简称霍金）于去年2018年3月14日去世，享年76岁。这位在半个世纪前就被医生判了死刑，说活不过两年的天才科学家，带着病躯又顽强的活了半个世纪，给人类科学和民众科普留下了宝贵的财富。
△霍金
科普之王
对于普罗大众，霍金留给我们最有价值的就是他写的几本畅销科普书，对于上了年纪（30岁以上…）的科学爱好者，相信没几个人没看过霍金的书。
当然，对于现在来说，科普书满天飞，所以年轻一代可能有好些没有看过霍金的科普书的，但在这些满天飞的科普书作者中，大概又有很大一部分是看过霍金的科普书并深受其影响的。作为史上最畅销科普书作者，霍金留给科学爱好者的科普财富是无与伦比的。在他所著的众多科普书中，称为霍金三部曲的《时间简史》、《果壳中的宇宙》和《大设计》最为知名，特别是上世纪80年代写的《时间简史》可谓人尽皆知，全球销量数千万册。曾经在科学爱好者里没有看过《时间简史》都不好意思说自己是科学爱好者……
△霍金的时间简史
当然霍金的最主要身份是作为一名科学家而不是科普作家。那么他又留给科学界些什么呢？
霍金在科学上的成就主要集中在宇宙学方面，而且跟很多著名科学家一样，他的主要贡献基本上都是年轻时做出的。很多人说霍金晚年碌碌无为，我只想说，这不正常吗？有多少个理论物理学家在晚年还碌碌有为的？
好了废话太多，现在聊正题。在科学上，霍金又给我们留下了什么……嗯？我们？……等等，应该说科学界……理论贡献关我们什么事……
早年，霍金在宇宙学上贡献颇大，特别在在黑洞研究上面，而事实上他的理论贡献也都主要集中在黑洞方面。
一、奇性定理
这是霍金与数学家彭罗斯共同证明的，他们的计算表明，在很一般的初始条件下，物质坍缩到形成视界后时空中都会出现奇异性并产生奇异点，根据计算这个奇异点是时间为0的点，也就是它要么是时间的起点，要么是时间的终点。霍金和彭罗斯证明，在宇宙大爆炸之初存在一个时间的起点，而在黑洞坍缩中心存在一个时间的终点。奇性定理曾经终结了宇宙大爆炸之前是什么的问题，因为宇宙大爆炸就是时间的起点，它没有之前。
宇宙大爆炸奇点
二、黑洞无毛定理
这个无论是中文名还是英文名都相当不雅的定理是由霍金和其他研究者共同证明的，它指出当天体因引力坍缩而产生视界后，对于外界只剩下质量、电荷和角动量三个物理量，其余一切信息（包括温度）都会失去。因此在我国它有一个比较雅观也更为贴切的别名——三毛定理。
但这个定理一经提出就引起了强烈反响，首先是来自量子力学方面的，因为这个定理与量子力学的一个基本定律产生矛盾——信息守恒。这在物理界一直存在争议，相对论学家认为信息确实是不守恒的；但量子物理学家不干，他们认为信息必须守恒。
后来霍金声称证明了信息确实守恒……但相对论权威基普索恩认为他的证明是错的，所以关于黑洞信息是否守恒，目前科学界还没有达成共识。
黑洞无毛定理的第二个冲突来自热力学，刚才说了在物质落入视界后温度信息也会丢失，那么问题来了，如果把外界的熵都扔进黑洞，黑洞的熵并没有增加，而外界的熵降低了，这不就违反热力学第二定律了吗？
这两个问题一开始相对论学家还能杠一下：黑洞视界内是一个独立的系统，因此扔进去的信息和熵都与外界宇宙无关，这样就不算违背量子力学和热力学了。这样解释大家确实也无话可说，毕竟根据相对论，进去的东西永远也出不来了，谁也不知道它在里面咋了，它跟外界已经没有关系了。这样，这两个问题就都不是问题了。
然而没过几年，霍金就搞出了一个大新闻，导致这两个问题又成了大问题。稍后再说。（见第4点）
黑洞无毛定理
三、面积不减定理
霍金指出，当视界形成以后，任何物质落入黑洞，黑洞的视界表面积只会增加不会减少。
这任何物质包括了另一个黑洞。因此，这一定理将限制了双黑洞合并时的引力波辐射总能量。也就是说根据面积不减定理，两个黑洞合并过程所产生的引力波辐射总能量必定低于一个阈值，使两个黑洞合并后形成的黑洞的视界表面积大于合并前的两个黑洞视界面积之和。
霍金的这一定理已经在自2015年之后LIGO激光干涉引力波天文台检测到的多次双黑洞合并引力波事件所证实，不过这个理论的分量不够，霍金并没有因此获得任何奖项。
引力波事件证明了面积不减定理
四、霍金辐射
这个以霍金名字命名的理论被公认为霍金毕生最重要的理论贡献。虽然黑洞辐射并非是霍金首先提出的，但是凭着超强的理论和数学能力，霍金首先完美地证明里黑洞辐射！为了这个证明，他构建了一个称为弯曲时空量子场论的广义相对论与量子力学的合并理论。他尝试在黑洞附近极度弯曲的时空中考虑量子效应，根据量子力学，真空中会随机出现虚粒子对，并随即湮灭，但当这些虚粒子对出现在黑洞视界周围极度弯曲的时空中时，情况就会变得有趣起来，它们可能出现三种情况：
1.与在平坦时空时一样后最终湮灭。
2.在湮灭前其中一个落入视界，另一个也跟着落入视界。
3.虚粒子对被黑洞超强的潮汐力分开到足够的距离，其中一个落入视界，另一个向外逃逸。当逃逸的虚粒子失去了能与之湮灭的另一半后，就会成为实粒子，相应的落入黑洞那个虚粒子也会变成实粒子，这过程就像黑洞里往外发射了一个实粒子一样。基于能量守恒，落入黑洞的实粒子与向外逃逸的实粒子总能量为0，那么辐射出来的实粒子是携带正能量还是负能量呢？霍金指出，向外逃逸的实粒子必然是携带正能量的实粒子。这是因为黑洞外的正常时空不允许负能实粒子存在，如果首先落入黑洞的是正能粒子，那么留在外面只能跟着进去，而不会往外逃逸。但是黑洞内的时空则不同，黑洞视界是一个单向膜，视界内的时空会发生互换，在视界内的特殊时空里是允许存在负能实粒子的，因此留在外面的实粒子无需跟进去与之湮灭。所以黑洞可以以一定的速率持续向外发射正能量的实粒子，与此同时，落入视界的负能实粒子则减少了黑洞的总能量，这过程就像黑洞在慢慢蒸发一般，因此霍金辐射也被称为黑洞蒸发。
△霍金辐射
五、黑洞热力学
黑洞热力学最初是美国物理学家约翰·惠勒提出的，由他的学生雅各布·贝肯斯坦发扬光大。在霍金证明了面积不减定理后，贝肯斯坦就指出黑洞表面积很像热力学的熵，都是自增不减。但霍金非常抗拒这种说法，他指出，如果黑洞有熵，就意味着有温度，就应该会产生热辐射，但是广义相对论不允许黑洞存在热辐射，因此霍金否决了贝肯斯坦这一想法。
然而前面在介绍黑洞无毛定理时说过，黑洞的存在违反了热力学第二定律——熵增定律，由于黑洞可视为一个独立的系统，所以可以回避这个问题，然而霍金辐射的证明让这个问题无可回避，因为黑洞最终会蒸发消失，因此它与外界宇宙是同一个系统。而霍金辐射证明了黑洞会向外产生辐射，而且霍金证明所产生的辐射是黑体辐射，这样，霍金当初否决贝肯斯坦的理由就不成立了，因为黑洞确实会产生热辐射！因着霍金辐射的证明，黑洞热力学也正式被确立，我们来看看黑洞热力学与热力学一一对应的四条定律：
热力学第零定律——如果a和b都与c取得热平衡，那么a与b也必然热平衡。这是一条关于温度的热力学定律，而在黑洞热力学里，温度就对应着黑洞的表面引力。也就是说，黑洞的温度高低由其表面引力的大小决定，表面引力越大，黑洞温度越高。
热力学第一定律——能量守恒定律。这条是宇宙的基本定律与之对应的就是黑洞的电荷和角动量。
热力学第二定律——熵增定律。前面说了，贝肯斯坦早已指出这就是霍金证明的面积不减定理。
热力学第三定律——不能通过有限的物理过程把温度降到绝对零度。这对应的自然就是不能经过有限的物理过程将黑洞的温度（表面引力）降低到零。
△贝肯斯坦黑洞熵公式
虽然黑洞热力学并非由霍金首先提出，但是很显然每一条黑洞热力学定律都离不开霍金的理论，所以把黑洞热力学归为霍金的理论贡献应该不会有人反对吧。
到这里这篇文章已经超过3000字了……所以后面的理论我长话短说……
六、黑洞信息守恒
这同样是之前在介绍黑洞无毛定理时提到过的，随着霍金辐射的证明重新成了必须面对的问题。与熵增定律不同，霍金在证明霍金辐射后依然不承认信息守恒，并和好朋友基普·索恩一起与支持守恒的量子物理学家打赌。与之前几乎所有霍金理论一样，黑洞信息守恒同样不是霍金自己首先提出的，但又是他第一个给出数学证明的，数学太好没办法……当他拿着自己的证明宣布打赌输了的时候，那位赢了的量子物理学家一脸懵逼地说：我没听懂他的证明，不知道为什么赢了……
当然，前面也说过，索恩并不认同他的证明，所以黑洞信息守恒其实目前还存在争议。曾经听国内的相对论权威北师大的赵峥教授说过，他发现霍金关于黑洞信息守恒的证明是有问题的，在其中一个过程里，他在数学上假设了时间可逆（也就是相当于可以回到过去）。
不过显然霍金和大部分物理学家都认为证明是对的，他们构建了一些理论用于解释落入黑洞的物质信息去了哪里，比如火墙理论、软毛理论等。
黑洞信息悖论和解决方案
七、无边界宇宙
这可能时霍金唯一可以声明原创的理论贡献了。无边界宇宙可能是霍金的《时间简史》里最难懂的部分，说实在这个理论我没有把握把它讲明白，幸好现在字数够了，我可以省略一些……
我们知道无论宇宙中时间和空间有着截然不同的性质，虽然它们共同构成了时空这个整体。在狭义相对论统一时空后，基于光速不变，时间可以换算成空间，即ct（光速乘以时间得到距离），但这在描述空间位置时必须取负号，即s?=x?+y?+z?-(ct)?，爱因斯坦的大学老师闵可夫斯基就通过加入在时空变换的项中加入一个虚数使负号变成正号，即s?=x?+y?+z?+(ict)?，从而构建了一个四维空间——闵可夫斯基空间。
也许霍金从中得到启发，在他的奇性定理里，证明了大爆炸之初存在一个奇点——时间的起点，但这意味着宇宙存在一个创生的时刻，作为无神论者的霍金很不喜欢这个结论。因此他同样在时间轴上加上一个虚数项，使时间轴变成虚数轴，与原来的实时间垂直，这样虚时间就具有与空间一样的性质，成为空间的第四个方向。一个与空间性质相同的时间轴意味着它能像空间一样闭合（当时还没发现宇宙加速膨胀，一般认为宇宙是闭合的超球面），这样它就不再有起点和终点。
霍金以一个球面作为类比，当你沿北极走到南极，并不会停下来，在你看来南极与其它地方并无二致。
这样霍金构筑了一个在时间上也没有边界的宇宙，这个宇宙同时推翻了他的第一个重要理论——奇性定理。使一切物理规律失效的奇点——时间起点并不存在，在虚时间里宇宙坍缩回去也仅类似于你从北极走到了南极，没有任何事物阻止你继续往前走……
勇于挑战自我的天才
看到这里，相信你不会怀疑霍金是个天才，几乎他的每一个重要理论都有人走在他的前面，但最终都是由他首先完成了。更让人肃然起敬的一点是，霍金从来不怕否定自己的理论，有时我会觉得他就是在一个劲推翻自己之前的理论……
比如霍金辐射“推翻了”面积不减定理，黑洞信息守恒“推翻了”黑洞无毛定理，无边界宇宙“推翻了”奇性定理……
我只想说，霍金你是在逗我呢？还是在逗我呢？……
永不止步的天才
乔治·伽莫夫，1904年出生于俄国，美国核物理学家、宇宙学家。在列宁格勒大学毕业后，曾前往欧洲数所大学任教。1934年移居美国，以倡导宇宙起源于“大爆炸”的理论闻名。对译解遗传密码作出过贡献。还提出了放射性量子论和原子核的“液滴”模型。同E．特勒一起确立了关于β衰变的伽莫夫—特勒理论以及红巨星内部结构理论。其科普著作深入浅出，对抽象深奥的物理学理论的传播起到了积极的作用。
基本介绍 中文名 ：乔治·伽莫夫 外文名 ：George Gamow 国籍 ：美籍俄国人 出生日期 ：1904年 逝世日期 ：1968年 职业 ：物理学家和天文学家 人物生平,主要作品, 人物生平 乔治·伽莫夫（George Gamow，1904-1968）是俄国著名的物理学家和天文学家。生于敖德萨一个世代军官家庭，三个叔叔分别战死于日俄战争，第一次世界大战和第二次世界大战，外祖父是当地的大主教，有科学家的传统。他母亲在他7岁的时候就教他读凡尔纳的小说，但母亲在他9岁的时候就病逝了。 1914－1920年在敖德萨师范学校学习。1924年，还在20岁的时候，因在红十月炮兵学校教物理，因此有红军炮兵上校的军衔。后来在麦卡锡时代这个军衔还困扰了他一段时间。1926年毕业于列宁格勒大学，1928年获哲学博士学位。1928-1932年先后在丹麦的哥本哈根大学和英国剑桥大学师从著名物理学家尼尔斯·玻尔和卢瑟福从事研究工作。1931年回到列宁格勒大学任教授。1933年在巴黎居里研究所从事研究。1934年移居美国，任密执安大学讲师，同年秋被聘为华盛顿大学教授，1954年任加利福尼亚大学伯克利分校教授，1956年改任科罗多大学教授。是丹麦皇家科学院院士，美国物理学会、美国天文学会、美国哲学会、国际天文联合会会员。 伽莫夫主要研究核物理学，早年提出原子核的核流体假设，对建立现代核裂变和核聚变理论起了一定影响。1928年，提出用质子代替α粒子轰击原子核，对核物理学发展具有重要意义。把核物理学用于解决恒星演化问题，1939年提出超新星的中微子理论，1942年提出红巨星的壳模型。1940年代，伽莫夫与他的两个学生——拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼一道，将相对论引入宇宙学，提出了热大爆炸宇宙学模型。热大爆炸宇宙学模型认为，宇宙最初开始于高温高密的原始物质，温度超过几十亿度。随着宇宙膨胀，温度逐渐下降，形成了现在的星系等天体。他们还预言了宇宙微波背景辐射的存在。1964年美国无线电工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然中发现了宇宙微波背景辐射，证实了他们的预言。1948年提出新的化学元素起源理论，认为各种元素是在中子连续俘获过程产生的。还提出蛋白质遗传密码的构想：DNA双螺旋结构中由氢键生成而形成空穴的4个角为4个碱基，4个碱基的不同排列组合就构成遗传密码。 他还是一位杰出的科普作家，在他一生正式出版的25部著作中，就有18部是科普作品。他的许多科普作品风靡全球，重要的有：《宇宙间原子能与人类生活》（1946）、《宇宙的产生》（1952）、《物理学基础与新领域》（1960）、《物理学发展过程》（1961）等。《物理世界奇遇记》更是他的代表作。由于他在普及科学知识方面所作出的杰出贡献，1956年，他荣获联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。 主要作品 伽莫夫非常重视普及科学知识的工作。他移居美国以后，发现美国虽然经济发达，但许多人对20世纪初的科学成就、特别是当时刚出现不久的相对论、量子论和原子结构理论都一无所知。因此，他决定在从事教学和研究工作之余，动笔向普通读者介绍这些新生事物。从1938年起，他在英国剑桥大学出版社的支持下，发表了一系列有点离奇的科学故事。这些故事的主人公汤普金斯先生——一个只知数字而不懂科学的银行职员——通过聆听科学讲座和梦游物理奇境，初步了解了相对论和量子论的内容。1940年，他把第一批故事汇集成他的第一部科普著作《汤普金斯先生身历奇境》出版；1944年又把其后的故事汇集成《汤普金斯先生探索原子世界》一书。这两本书出版后，深受读者欢迎。后来，为了补充介绍新的物理学进展，也为了使作品的内容更紧凑，他便把上述两本书合并、补充、改写重新出版。 汤普金斯先生历险记 近70年来，对于真正关心过科学的西方人来说，从来没有读过汤普金斯先生历险故事的人大概为数不多。而对于那些对科学倾注过同样热爱的中国人来说，对伽莫夫这个名字也一定不会感到陌生。这不仅是因为伽莫夫在科学领域的一系列杰出贡献，而且因为他成功塑造了一位家喻户晓的人物形象——漫游科学世界的汤普金斯先生。 伽莫夫从1938年开始塑造汤普金斯先生这个人物形象，此后不断补充和完善，使得这个形象越来越丰满。甚至在他去世的前一年（1967年），也仍然没有忘记对这本书进行最后一次修订。可以说，这项工作倾注了伽莫夫对科普工作的全部热情和大半辈子心血。尽管这些故事本来是为物理学的门外汉撰写的，但作者对现代物理学的精辟介绍却具有持久不衰的魅力。正因如此，在他去世后的30年中，该书依然畅销不衰。至1995年，该书共累计重印了22次，并被译成多种文字出版，深受各国读者喜爱。有许多科学家承认，由于青年时代读了这本书，才使他们走上了献身科学的道路。 物理世界奇遇记 然而，随着时光的流逝以及科学与社会的飞速发展，物理学的内容也发生了巨大变化，这使得本书的部分内容和某些表现形式显得有些陈旧和过时。1999年，英国著名科普作家斯坦纳德受剑桥大学出版社之邀，在忠实于原著风格的基础上对该书进行了全面修订，增写了4章，并更新了全部插图。可以说，这个最新版本包含了整个20世纪物理学的全部重要研究成果。湖南教育出版社出版的《物理世界奇遇记（最新版）》就是根据这个最新版本译出。 《物理世界奇遇记》一书中文版于1978年第一次出版，当时的译本印刷了两次，总发行量达60万册，其受读者欢迎程度由此可见一斑。20世纪后，这本书几乎每年再版一次。同时，这本书还于1999-2000年度获"牛顿杯"十大科普好书，并获2001年中国优秀科普作品奖一等奖。 从一到无穷大 《从一到无穷大》是一本属于“通才教育”的科普书，内容涉及自然科学的方方面面。但与其它常见的按主题分类来写作的科普著作不同，作者以一个个故事打头和串联，把数学、物理乃至生物学的许多内容有机地融合在一起，不知不觉间将一些最重大或者最有用的理科知识甚至技巧信手拈来，让人在妙趣横生、恍然大悟以及莞尔一笑中意犹未尽地概览了自然科学的基本成就和前沿进展。 这是一个绝对可以说巨大的大手笔的风范，他把数学、物理、化学乃至天文学、地质学、生物学、以致遗传密码的许多前沿内容有机地融合在一起，让读者跟着他天马行空、遨游世界。全书都用数学的1和∞贯穿起来，从基本的数学知识谈起，用大量有趣的比喻，重点阐述了爱因斯坦的相对论和四维时空结构，给读者展示了一个全新而充满趣味的物理世界，讨论了人类在认识微观世界（如基本粒子、基因等）和巨观世界（如太阳系、星系等）方面的成就。 这本书让我们第一次知道了，原来我们所学的那些枯燥的数学公式、物理概念、化学符号之间，原来还有那么多有趣的故事；原来无穷大的宇宙、无边无际的遥远星系，并不是跟我们毫无关联；原来分子、原子并不是真正的微观世界、并不是那个基本单元的“1”、它们仍然是由质子、中子、中微子、甚至更下一台阶的夸克粒子组成；原来爱因斯坦的四维空间和时空相对的概念并不是那么抽象、那么不可思议，甚至我们的生活中到处到可以用到相对论的基本原则；原来我们眼见为实的的直线、平面，也可以是弯曲的、循环的，甚至空间、时间都可能是弯曲的……巨观世界的无穷大、与微观世界的无穷小，在盖莫夫的笔下犹如一部引人入胜的武侠小说那样，妙趣横生、娓娓道来，一点都没有说教、输灌，一点都不枯燥、乏味。 写作技巧 《物理世界奇遇记》的成功，首先在于作者深厚的科学功底和高超的写作技巧，伽莫夫绕过理论的定量描述，避开令中学生读者望而生畏的数学困难，采用了类似于大学普通物理课程中重概念诠释和图像描绘的讲授方法来介绍物理的艰深内容。再加上在风格上风趣、诙谐、幽默而不失典雅，行文流水，使人读而不倦。本书的翻译也可以说与这部名著珠联璧合，从中处处可以感受到译者吴伯泽先生对现代物理的深刻理解，领会到他对人类科学探索活动的睿智感悟。而湖南教育出版社出版的这本书用纸、印刷、装帧都非常精良，使其更兼具了一种收藏价值。70年代末，《物理世界奇遇记》一书的中译本几乎可以说是影响了一代人。就中译本的翻译和出版质量而言 ，这本最新版完全可以说是“名作名译”的典型代表。关于“黑洞之王霍金一生有哪些重要科学贡献？”这个话题的介绍，今天小编就给大家分享完了，如果对你有所帮助请保持对本站的关注！
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