斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)去世,享年 76 歲,如何評價他一生的貢獻?

知乎用户     11242018-03-14 09:19:45

Hawking的一生,無論是在物理學術領域還是物理科普領域都具有著傑出的貢獻,大師的離去令人扼腕。應朋友的邀請,我以一個了解過引力方向的、有可能quit的物理系學生的觀點,簡單寫寫對大師一生的評述。


生平

Stephen William Hawking(1942年1月8日-2018年3月14日),英國牛津人,生前任職劍橋大學理論宇宙學研究中心主任。

Stephen William Hawking

Hawking的主要專業貢獻在理論物理的廣義相對論量子引力方向,最為著名的貢獻是Penrose–Hawking定理(廣義相對論方向)Bekenstein–Hawking公式及Hawking輻射(黑洞熱力學)。

Hawking是過去30年世界上世界上最為著名科普作者(無之一),以其作為漸凍人的傳奇經歷,協作完成《時間簡史》《果殼中的宇宙》、《大設計》等優秀的科普作品,他的著作及經歷吸引了無數年輕的學生投入科學事業(不僅僅是物理學),我和老胡 @胡子昂 的入坑都與Hawking先生有關。

Hawking由於個人一生的傳奇經歷,在大眾中具有極高的知名度,其形象曾多次被搬上熒幕,如《萬物理論》等電影,此外,Hawking的愛情傳奇也為人矚目。


學術貢獻

  • Penrose–Hawking定理

Penrose–Hawking定理是Penrose與Hawking在1965年至1970年間關於廣義相對論的奇性疑難作出的討論。廣義相對論的奇性疑難幾乎與廣義相對論的起源同時,奇點一詞指廣義相對論的解一些具有人類難以理解的病態的時空點,一個典型的例子就是Schwarzschild時空:

ds^2=-(1-\dfrac{2M}{r})dt^2+(1-\dfrac{2M}{r})^{-1}dr^2+r^2(d\theta^2+\sin^2\theta d\phi^2) ;

r=2M 的點上,會存在 (1-\dfrac{2M}{r})^{-1} 的發散,導致解奇異的物理性質,但是在該點的奇異的物理性質被證明可以使用坐標變換消除,稱為坐標奇性;

同時,在 r=0 處,解也具有奇異的物理性質,但是這一點的性質無法通過坐標變換消除,被稱為真奇性物理奇性

長久以來,物理學家對奇性有著不同的認識,Evgeny Lifshitz (1915——1985)、 Isaak Markovich Khalatnikov (1919——) 和 Vladimir Belinski (1941——) 等人認為奇性是由於我們在求解Einstein場方程時使用了過強的對稱性導致的,比如說球對稱性,在真實的物理情況下,隨著這種高度理想的對稱性的消失,解將失去奇性。換言之,他們認為這是個「真空中的球形雞」的問題。

而以Roger Penrose (1931——) 和 Stephen Hawking (1942——2018) 為首的物理學家們的物理學家們相信,奇點在廣義相對論中的出現是有普遍的,而且在恆星晚期坍縮宇宙原初奇性上具有重大意義。 奇點的存在與度規形式(物質的形態及分佈)密切相關,但是由於我們很難給出普遍的能動量張量,但是其一些基本性質我們是清晰的,所以Roger Penrose和Stephen Hawking從能動量張量的性質(稱為能量條件)出發,繞過了能動量張量的具體形式,得到了奇點存在性(非類空測地不完備)的一組判斷條件,這就是Penrose–Hawking定理。


  • Bekenstein–Hawking公式及Hawking輻射

Hawking的另外一組偉大貢獻是為黑洞熱力學作出的巨大貢獻,並成為了量子引力的先驅。眾所周知的,量子場論在Minkowski時空框架下是有巨大的成功的。那麼如何在具有彎曲時空背景的情況下建立量子場論(時空以經典廣義相對論描述,對粒子場以量子化處理)就具有重大意義,首先的,Hawking等人創建了黑洞熱力學四大定律:

第零定律:定態黑洞視界上引力處處相等。

第一定律: 對於黑洞能量的微小擾動,有: dE=\dfrac{\kappa}{8\pi}dA+\Omega dJ+\Phi dQ ,其中 A 為黑洞表面積、 J 為黑洞角動量, Q 為電荷。

第二定律:孤立黑洞視界的表面積永不隨時間減少: \delta A\geq 0

第三定律:黑洞的表面引力不可能為零。

Bekenstein創建了公式

S_\text{BH} = \frac{kA}{4\ell_\text{P}^2}

描述了黑洞的熵與 S_{BH} 與表面積的關係,

預言了Hawking輻射的存在(未證實)

P = A_s \varepsilon \sigma T_\mathrm{H}^4 = \left( \frac{16 \pi G^2 M^2}{c^4} \right) \left( \frac{\pi^2 k_\mathrm{B}^4}{60 \hbar^3 c^2} \right) \left( \frac{\hbar c^3}{8 \pi G M k_\mathrm{B}} \right)^4 = \frac{\hbar c^6}{15360 \pi G^2 M^2}

預言了黑洞也是有壽命的,黑洞並非經典廣義相對論預言的「一毛不拔」,它仍是允許粒子逃逸出來的,這是一個革新性的觀點。

Hawking的工作對其後的全息理論AdS\CFT都具有巨大的影響,他是量子引力的先驅。

但是Hawking的工作並不具有一個方面的重大突破(或新理論的創建)以及黑洞熱力學本身難以驗證的特點,所以很遺憾老先生一生沒有拿上Nobel獎,這類先驅值得我們尊敬。



科普事業

Hawking先生一生致力於進行物理學科普,把前沿物理學帶入普通人的生活中。使無數的孩子有了從事物理學的夢想。Hawking撰寫了多本闡述自己理論與一般宇宙論的科普著作,廣受大眾歡迎。其中出版於1988年《時間簡史:從大爆炸到黑洞》曾經破紀錄地榮登泰晤士報的暢銷書排行榜共計237周。至2001年為止,這本書至少被翻譯成35種語言,銷售超過九百萬本。

由於《時間簡史》廣受好評,Hawking又於2001的年撰寫完成了姊妹作《果殼中的宇宙》,概述Hawking在完成《時間簡史》之後的一些研究結果,歷如,關於膜理論的研究結果。《果殼中的宇宙》包括了Hawking對於膜理論的一些意見,例如額外維度是否存在這問題並不具意義。人們只能檢試額外維度數學模型是否恰當地描述宇宙來評價額外維度。

在2010年,Hawking出版了姐妹篇的第三本《大設計》,這實際上是我購買的第一本物理學科普著作,該書主要闡述了Hawking等科學家的基本世界觀與物理學前沿的一些方向,我本人在這本書中受益頗多。

Hawking點燃了無數人的物理學夢想,他的公眾影響里幾乎與Einstein不相上下。我,以及我曾經非常喜歡的姑娘,都曾經深受Hawking的影響,有過物理學的夢想。儘管有時候我覺得我離這種夢想越來越遙遠,但這種夢想曾讓我們願意去仰望天空,思考宇宙的起源與人類存在的價值,那樣我們就不再渺小。在這裡,我們這些受過Hawking影響而走上物理學道路的人,是要對Hawking說一句:

謝謝您,Hawking先生!


總結

其他回答
Nathen:任何一個偉人的離開,都讓在世的人們感到無所適從的恐慌和不安。這是他偉大之處,被從未打過照面的人們依賴。 29006王尼瑪:暴走去年本土化的紅鼻子節是英國的節日,去年籌備階段大大小小的英國名人都在接觸,其中就有霍金。其實當時已經得知老爺子病重,就沒想過他會回復,但 19220胡子昂:入坑的帶領人。不知道有多少少年,因為《時間簡史》,驚詫於宇宙的奧秘,然後進入物理學的聖殿。也許多年以後全息原理大放光彩的時候,我們一定會想起 11944愛因斯坦生日這天,霍金走了。他出生的那天,是伽利略去世的日子。天選之人。很多人質疑我封建迷信、不懂科學、不懂物理,在這裡侮辱霍金,那我就做個 9146Vanor:安安靜靜,只能說感謝。回答的時候我在食堂吃飯,對面幾個理學院的漢子直接趴桌子上哭了。。。 5595有調App:他只是離開了輪椅,回到了他最愛的浩瀚星辰。《生活大爆炸》里再也看不到霍金客串的身影。圖片來源見水印,侵刪 4294王帥康:有人還記得這個嗎,希望後人能夠記住這個日子——2009年6月28日霍金在那天為時空旅行者舉辦了一場聚會,他在那裡會一直默默地等的,如果方便的 4042梅洋湯:我真的以為他可以永生。 3951海伯利安:小學的時候爸爸帶我進城,第一次去新華書店,發現一本《時間簡史》,如獲至寶,由此啟蒙我的物理學之旅。對於一個小朋友而言,《時間簡史》也許晦澀難 3855少了一個地球鏈接宇宙的VPN。 2720
胡子昂     272018-04-13 01:06:47

我最近準備寫個粒子物理髮現史,真是充滿狂熱的時代

姬武     72018-04-13 01:06:47
那句「God may exist, but we don't need a God to explain the world」讓我記憶深刻
知乎用户     72018-04-13 01:06:47

嚴格意義上他還是不能的....一是他的理論並非大的突破(相比於弱電理論、Yang-Mills場等),第二他的理論在可預見時間內難以證實,這是他的方向決定的缺陷。

朱醫生     52018-03-18 01:09:47
學術貢獻我每個字都認識,特么的合在一起看不懂
Benber     52018-03-18 01:09:47
因為他的《時間簡史》讓我很喜歡物理可惜太難後來選了文科,緬懷一位物理學界甚至人類文明的頂級學者。對他的逝世報以最崇高的敬意,沒有國籍,不分種族。
dikar     42018-03-18 01:09:47
霍金對於廣義相對論,對量子引力理論的研究影響力巨大,還有太多網友亂噴他是科普作家。。。

他被視為量子引力理論的先驅者之一,難道不算20世紀最偉大的物理學家之一嗎。
王英潔     42018-03-16 12:19:53
買奶茶還行,買好了嗎´_>`
dikar     22018-03-18 01:09:47
我認為等量子引力理論建立之後,他的地位可能還會更高。。。
知乎用户     22018-03-16 12:19:53

買的是哪家奶茶,排隊排完了嗎

知乎用户     22018-03-15 14:17:11

google scholar已經把弱電理論歸功於霍金了。


其實黑洞熱力學應該算是一個尚未成人、但是由霍金一手接生的新理論吧。

朱寅傑     12018-06-09 23:29:26

買奶茶還行?順便這位Penrose也是科普書大師啊

王英潔     12018-04-13 01:06:47
……窩梁書都看了十好幾頁了(:з」∠)_
zach     12018-03-16 12:19:53
大師很厲害。我去年看了他的博士論文,沒有看懂。
萌桃     12018-03-15 02:46:18
加油,等你
知乎用户     12018-03-14 09:58:00

煮葉。。。

王英潔     02018-03-15 03:09:04

emmm已經決定做引力了所以要刷完XD

ArthurJ     02018-03-15 02:46:18
等更順便蹭奶茶可好_(:з」∠)_
口袋溫度     02018-03-15 02:46:18
到底要買幾杯奶茶
知乎用户     02018-03-14 12:14:00
引力是個好領域
知乎用户     02018-03-14 12:03:02

梁書附錄比正文有用23333

知乎用户     02018-03-14 09:40:13
還沒到店