每当有名人去世的时候,我总能在朋友圈里看到一片哀悼之声。无论这个人是谁,大家总喜欢跟风一把。假如谁没能和大家一起跟风,就好像给人一种信息落伍的感觉,似乎大家生活在不同维度一般。
当然,我不评价这种行为的好坏。他们聊他们的,我们聊我们的。既然他们都在聊霍金,那我们来聊聊广义相对论吧。
霍金的生平,随便百度一下就能找到。而广义相对论的文字版理论知识,想要将它们收集起来,真得花费点时间呢。
广义相对论的发轫
广义相对论,来源于狭义相对论。
狭义相对论是啥意思呢?比如说,我老徐坐着飞机,从天津飞向三亚。我的朋友马老师在宁波的家里打呼噜。看起来,老徐是在运动的,马老师是静止的,没毛病。
但这是有个大前提的:上文的静止和运动,是相对于地球而言。如果相对于飞机而言,我才是静止的那一个,而马老师则是运动的。
但如果以太阳为目标,我们则统统以67000英里/小时的速度,围绕太阳公转。因为我老徐乘坐的飞机再快,也不可能逃脱地球引力。
也就是说,静止和运动,要靠参照物来界定,这便是狭义相对论。
那么广义相对论呢?
我们知道,光速极快,大约有300000km/秒这么快。那么,狭义相对论就没法描述光速了。在这么快的速度面前,一切相对不相对的运动手段,都是浮云。
为了描述光速,爱因斯坦引用了一个名叫“伽利略之船”的概念。一束光从桅杆顶部射向甲板,在船员看来,这光束行进的距离就等于从桅杆顶部到底部的距离。可在岸上的人看来,船始终在行进,光线走的并不是一条直线,而是产生了扭曲,走的距离要长一些。
但光速可是恒定的。对于陆地上的人来说,同样是光从桅杆顶走到甲板,光走的距离更长,时间花费的也更多。
这事就有点恐怖了,按这么算,假设船速够快,陆地上的十秒,可能就相当于船上的五秒。如果一对双生子分别在船上和陆地上,可能陆地上那位已经变成了五十岁的小老头,船上的那位仍然是二十五岁的棒小伙。
差点忘了,这就叫“双生子佯谬”。
然而广义相对论到底是什么呢?
别急,爱因斯坦在“伽利略之船”的基础上,提出了“密封舱理论”。它的大致意思是,光线从密封舱一端射进来,打进另一端。密封舱以任何形式运动时,光线都会因为密封舱的运动产生弯曲。也就是说,密封舱的运动带来了新的力场,从而导致了光线的弯曲。
我们要明确一个概念:力场在扭曲光线时,也扭曲了时间。原因和之前一样——光速恒定,里程扭曲,这段时间自然产生了变化。
想要描述这种轨迹,那么普通的欧式几何就不好使了。爱因斯坦只好求助基友格罗斯曼,这位数学家简直比哈里·谢顿还要给力,真的帮他导出了广义相对论的方程,以下是其中之一:
把这个微分方程翻译成人话就是,引力场对时间造成的影响,套进这个公式就可以计算了。
直到爱因斯坦去世时,他的预言仍未被彻底证实。其中一条,便是对黑洞的预言。按照爱因斯坦的理论推导,某些大质量恒星最终会坍缩为黑洞,其中便包括我们的太阳。
根据物理学家们的推断,黑洞的质量极大,一切靠近它的物体都无法逃逸,其中也包括光。因为光线被彻底吸收,所以才被叫做“黑洞”。不过,后来有人对此提出了质疑。
他就是史蒂芬·霍金,那位活在大众朋友圈中的著名物理学家。
按照霍金的理论,黑洞的表面会放射出一些粒子。按照宇宙真空理论,会有质量为正的正粒子和质量为负的负粒子同时存在。正粒子被质量很高的黑洞所吸收,质量为负的粒子则被排斥。这些被排斥的粒子汇聚到一起,从而形成了“霍金辐射”。霍金甚至宣称,黑洞并非茫茫的一片黑,它很可能是个“灰洞”。
虽然霍金所描述的“黑洞”和我们想象起来的那个样子不太一样,但他的贡献毋庸置疑——他为广义相对论做出了不可磨灭的贡献,并且证明了黑洞的存在。
霍金与广义相对论
生而为人,霍金非常不幸。他年纪轻轻就全身瘫痪,失去声音,只能依靠机器合成的声音与人交流。他的日常起居,则需要别人的照料。
身为物理学家,霍金又是幸运的。他不仅为广义相对论添砖加瓦,还在有生之年目睹了引力波的发现,那正是广义相对论的最后一块拼图。连爱因斯坦本人,都没能亲眼目睹这历史性的一刻。
无论如何,身为广义相对论的重要完善者,霍金都注定会在物理学历史上留下浓墨重彩的一笔。普通人的哀悼,或许只是一阵风,但后世的物理学者,会永远记住霍金这个传奇人物。
但我们不要忘掉霍金的一句话。
永恒是很长的时间,特别是对尽头而言。——霍金。
在物理学界中,并没有什么永恒存在,因为每条理论都有它的局限性。就算永恒再长,也会走到尽头。
量子力学圈定了牛顿力学的局限性,而我们当下万众推崇的广义相对论,也迟早会被新的理论超越,然后被限定在某个范围里使用。
但每一位物理学家,都注定要站在前人的肩膀上,才能看到宇宙更遥远处的风景。牛顿如是,爱因斯坦如是,霍金亦如是。
我相信,未来站在霍金肩膀上的那个人,一定能看得更远。如果他有缘目睹时间的尽头,或许抬眼望去,就能看到另一个维度的天空呢。
(完)
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