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彭罗斯和霍金“真兄弟在路上”

彭罗斯和霍金“真兄弟在路上”
2021年05月11日 23:51 新浪网 作者 邓如山

  当大质量恒星到了“寿终正寝”之时,内部结构的支撑力不足以抵抗自身引力的挤压,巨大恒星在无限塌缩过程中形成了一个黑洞,在黑洞中心创造了时空“奇点”,已知的物理规律在奇点的世界不再发挥任何作用,已知的物理规律失效或产生了“迷失的规律”,为什么发生“物理学的终结”或天体演变“历史的终结”?人类科学认识似乎出现了智慧的匮乏和缺陷。1965年,罗杰·彭罗斯提出了超越极限的定律,他将奇点和黑洞“被束缚的表面”相联系,创立了黑洞在时间进程中面积缩小的定律,“彭罗斯定律”以广义相对论为基础,它是广义相对论的推论之一。理论物理学界现在举办了一系列有关彭罗斯理论的周年纪念活动。

  50年前,物理学家和数学家罗杰·彭罗斯先生阐述了一个理论假设,他将两个定律奠定在相对论的基础上,定律之一是引力奇点,它是一个时空物理学的“错误之点”,在一个无法描述的奇点中,人们不能确定它的物理量大小,不能以数学公式描述它的物理运动和变化规律,不能确定它的物理性质。奇点“迷失的规律”考验了人们的科学智慧。声名赫赫的彭罗斯目前担任了牛津大学的荣誉教授,依然在“冥思苦想”天体物理的奇点问题。定律之二是所谓“被束缚的表面”,黑洞表面积在时间进程中不可避免地消减,黑洞天体的表面在恒星生命周期终结时经过爆炸之后而形成,恒星爆炸引起了恒星表面的塌缩和黑洞的形成,黑洞内部的引力奇点产生了,奇点“不可告人”秘密原因在于时间在奇点中停止了流动,已知的物理规律不再适用,发生了神秘性“迷失的时空”。

  

  彭罗斯定律与两种理论相关,物理学家普遍认为,彭罗斯定律从广义相对论出发,第一个从严格的数学公式中推导了主要结果,在彭罗斯定律提出之后的不久,他和声名显赫的斯蒂芬·霍金共同合作,创立了“彭罗斯—霍金理论”,我们的或其它膨胀宇宙必然存在诞生的起点,宇宙膨胀开始于一个瞬间爆发的奇点,宇宙起源于奇点的大爆发,奇点构成了宇宙最初的神秘形态,它有无限密度和最高的宇宙温度。巴斯克自治大学的理论物理学家何塞·圣诺维拉解释说,彭罗斯和霍金创立的两种理论来源于广义相对论的推导,从爱因斯坦场方程的数学解可以预测奇点的存在和恒星表面塌缩事件的发生,在特定物理条件下可以合理地推导两个相反的过程,或在黑洞内部形成奇点,或从奇点发生宇宙大膨胀。圣诺维拉在纪念彭罗斯理论发表50周年之际,在物理学刊物上解释了彭罗斯的理论贡献。

  圣诺维拉认为彭罗斯理论存在自身的局限,奠基在爱因斯坦理论基础上的理论推导自然不能解决爱因斯坦理论本身的问题,彭罗斯理论在特定的条件下不一定适用,比如:彭罗斯理论在极端的奇点情形中似乎完全失效,它不能满足极端的条件。彭罗斯理论没有指明灾难性塌缩事件的必然发生,彭罗斯的理论假设如果不能指明黑洞事件的必然发生,那么恒星坍塌可能避免奇点的出现,假如宇宙总体能量的平均密度等于零,那么不会形成奇点产生的条件,但宇宙能量密度等于零的情形极不现实,奇点不仅可能出现,而且极为普遍。

  

  “经典与量子引力”杂志发表了圣诺维拉研究彭罗斯奇点理论的文章,科学杂志以12篇纪念文章回顾了理论背景和产生的时刻。爱因斯坦在100年前提出了广义相对论,在物理学发展史上奠定了一个里程碑,2015年成为广义相对论发表100周年的纪念年份,目前遭遇的物理学危机似乎与100前一样,新物理学体系的建立依靠物理学家的共同努力。爱因斯坦早已离开物理学大舞台,两位物理学的泰斗人物——彭罗斯和霍金继承了爱因斯坦的物理学事业,至今发表的成千上万篇论文和文章未必超越了彭罗斯和霍金对黑洞和奇点的研究水准。社交媒体影响力越来越大,物理学的影响力似乎越来越小,媒体关注财富排行榜和中产生活方式,物理学大师霍金进入了娱乐新天地。几亿、几十亿年的宇宙史十分漫长,物理学家却只能活上几十、上百年,“活在当下”的霍金在物理和娱乐的两个世界现身,在奇点、奇人、奇异的宇宙,没有什么不能发生,自然变化没有定格,永无止境。

  (编译:2015-10-21)

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