课程讲义-《霍金与黑洞》（下）

霍金与黑洞（下） 谁来解决这个问题呢就是我们天才的科学家霍金。我们说他为 什么是天才的科学家呢他就降服了黑洞，把我刚才说的黑洞的魔咒 给解决了。 这就是霍金。霍金出生于1942年1月8日，霍金出生的这一 天，正好是伽利略逝世30。周年，这是霍金本人算出来的。 据说霍金小时候的学习并不是很好，但是霍金最后毕竟还是考上 了一个不错的学校，考上了牛津大学。有一天霍金打篮球，打完篮球 以后发现鞋带系不上了，很紧张，去看医生。医生检查结果，发现他 得了一种很怪的病，叫做进行性肌肉萎缩，也叫渐冻症。这个病非常 的严重，医生告诉他这个病没法治，而且愈后非常不好，少则几个 月，多则几年，生命就这么短。霍金听了以后，不像我们一般人，就 紧张得不得了，而是在想，想什么呢我这么年轻就得了这个病，一 事无成。于是他就下定决心，不行，我原来学习不努力，我要好好学 习，最后他投考到哪去呢投考到剑桥大学霍金在剑桥大学读研究生 期间，就开展了对黑洞的研究，而且取得了空前的成果。这是霍金小 时候的兄妹，这是霍金从牛津毕业时候的照片。这是霍金当年在牛津 时的女朋友，后来跟他结婚了，叫简怀尔德，这是他们的家庭。我 在英国的时候，曾经去听过一次霍金的报告，霍金出来做报告的时候 也是推着椅子出来做报告。后来霍金生病以后就坐在轮椅上。我顺便 说一下，这个轮椅的设计非常的先进，大家知道霍金到最后，语言能 力已经失去了，没法说话。这个轮椅上面的打字机是一个高级的人工 智能，它能眼睛一扫描就可以打字，不但可以打字，而且可以做语音 合成，可以答记者问。这张照片就是霍金参加美国宇航局5。周年发表 演讲，旁边就是他的女儿，替他翻译。霍金还上天，看到没有而且 霍金的思想非常活跃，发表了很多独特的见解。 霍金访问过中国，首站访问的就是我们北京师范大学，这是当年 霍金访问北京师范大学的时候的演讲，这是当时我们带着霍金去十三 陵，推车的那位就是我的学生。现在我们师范大学天文系的系主任朱 宗洪教授。 好了，我们回来说，霍金的天才在什么地方呢他就建立了黑洞 不黑的理论，这是一个黑洞的模型，我们说什么叫一个黑洞呢中间 有一个奇点，然后黑洞的半径，我们前面讲了就叫做史瓦西半径。史 瓦西半径由于这个界限，外界看不到里边，里边看不到外边，所以我 们把史瓦西半径这个界限叫做视界，中间就是一个起点，任何物体进 入到了视界，就都跑到起点去了。而视界里边的东西都出不来。 霍金就解开这个谜，他认为有办法逃离黑洞，怎么逃离呢有三 种办法，一种叫做霍金蒸发，一种叫做时空穿越，一种叫做虫洞。 我们重点就来讲霍金的理论，就叫做霍金蒸发。什么叫霍金蒸发 呢也叫做霍金辐射。这是一个黑洞，如果黑洞的周围我们看到了什 么都没有，空空如也。我们说的再严重一点，哪怕是真空，有没有东 西从我们一般的物理学的知识来讲，没有东西，但是实际上它存在 的东西，也就是说真空里边也存在着物质。什么物质存在着虚粒子 对，这个虚粒子对是一个正的一个负的，两个合在一起是什么什么 都不是，就是真空虚的。我刚才讲了黑洞的特点是引力特别强，而且 有非常强的潮汐力，他会把这个任何物体都被撕开，哪怕你是虚粒子 对，我都可以给你撕开，撕开以后我们说，这个虚的粒子对，一个实 粒子，一个虚粒子，也就是说一个正的一个负的，两个合在一起是什 么就是真空，什么都没有。如果撕开以后，这一对粒子同时被黑洞 吸进去了，什么也没发生。如果实粒子被吸进去了，它又和里边的虚 的结合在一起，也是什么都没发生。如果这个虚粒子对撕开以后，那 个虚粒子被吸进去了，他就会和黑洞里边的一个实粒子结合在一起， 又变成什么变成真空，可是它那个实粒子就逃离了，逃离这个实粒 子就真的相当于从黑洞里边蒸发出来了，那就相当于这个负能的粒子 到了黑洞里边去，和黑洞的实粒子结合，变成了真空，而那个正粒子 飞出去就相当于黑洞的粒子被蒸发了。换句话说，由于这个过程我这 个黑洞在不断的向外散射物质，这就是霍金的黑洞蒸发理论。根据这 个理论我们可以算一下，如果我们太阳变成一个黑洞，按照霍金的蒸 发理论，蒸发需要多长时间需要1。的66次方年。大家要注意黑洞 越蒸发，它的质量就越小，逃离黑洞就越容易。换句话说黑洞这个壁 垒就变得越来越弱。所以当黑洞蒸发到只有1。。万吨，1。年之内就可 以蒸发了。如果质量再小，到了一吨，不到一秒钟就蒸发了。根据这 个理论，我们能不能探测到蒸发的黑洞呢有可能，黑洞蒸发到最后 要破裂的时候会产生伽马射线。所以根据我们观测太阳系周围，如果 有小型的伽马射线爆，就有可能是黑洞蒸发到，就有可能是黑洞，就 有可能是黑洞蒸发到最后爆破，这也有可能发现黑洞，不过到现在还 没有发现。根据霍金的理论我们就可以看出来，我们的黑洞既可以不 停的吞噬物质，又在不停的蒸发。换句话说，我们银河系里面不会大 家都跑到黑洞里边，黑洞也可以通过霍金蒸发不断地消亡。 霍金的主要成就有三方面，我们就不详细讲了，有梯形定理、面 积定理、霍金辐射。霍金一生的成就很多，也获得了很多头衔。我们 看一下，霍金曾经获得了很多头衔，其中有叫做桥氏武士的名誉勋 位，还有大英帝国的司令勋章，还有英国皇家学会的会员，还有什么 皇家艺术学会会员等等。可是有两点很重要，一个叫做刺儿，刺儿的 英文还有一层意思就是爵士，就说霍金获得没获得爵士，还有一个诺 贝尔prizeo就是说霍金得没得诺贝尔奖呢两个都没有得到，霍金并 没有得到英国的爵士。大家看牛顿的照片配着一个假发，那是因为牛 顿得到了英国的爵士，诺贝尔奖有没有给霍金呢没有给。曾经想过 给霍金诺贝尔奖，原因是引力波的发现，引力波发现以后很快就获得 诺贝尔奖。引力波是怎么产生的呢是由两个黑洞碰撞产生的，所以 有人就想到了霍金。但是这个引力波的概念也是爱因斯坦提出来的， 并不是霍金提出来的。而这个霍金理论本身主要是黑洞的蒸发，所以 想来想去，霍金并没有获得诺贝尔奖。我们讲到这个地方，就讲了霍 金的传奇的一生和黑洞的基本理论。 天文学非常有意思，也非常重要，天文学的重要性在于它能够展 望未来。我们看一下，我们一直认为黑洞没什么用，有就有没有就拉 倒，而且由于霍金才解决了这个黑洞最大的困难，就是说黑洞会把我 们所有的星体都吞噬进去。最近研究黑洞，我们发现黑洞还有可能为 人类造福。我们看一下，这叫黑洞发电机，也叫彭罗斯定律。 我们说讲了半天黑洞，我们这个黑洞都叫做史瓦西黑洞。什么意 思呢我们的黑洞就是一个星体，通过爆发收缩产生的黑洞，这个黑 洞在那是不动的，就是光有质量，不动。真正的黑洞来讲，它是有运 动的，怎么运动呢在自转，所以我们所有的天体都在自转，大家知 道我们地球会在旋转，太阳也在旋转等等。变成黑洞以后，由于星体 本身是旋转的，成了黑洞也旋转，所以这个黑洞带有旋转的黑洞，我 们叫克尔黑洞。黑洞旋转有一个特点，我们就可以定义出两个世界， 一个叫内世界，内世界就是我们普通的史瓦西黑洞，这个红的就是内 世界。还有一个外世界，就是黑洞旋转的这个世界，内世界和外世界 之间有一层叫做能层。我们说了，如果你到黑洞里边去，那怎么样 就出不来了。可是有没有可能到内世界和外世界之间的能层旅游一圈 呢有可能，有可能到那去一