△Hawking
El rey de la divulgación científica
Para el gran público, Hawking nos dejó los libros de divulgación científica más valiosos. Para los entusiastas de la ciencia mayores (más de 30 años...), creo que hay muchas personas que no han leído el libro de Hawking.
Por supuesto, por ahora, los libros de divulgación científica están en todas partes, por lo que es posible que muchas personas de la generación más joven no hayan leído los libros de divulgación científica de Hawking, pero probablemente un gran número de los autores de estos libros de divulgación científica sí los hayan leído. Hawking's. libros de divulgación científica y estuvo profundamente influenciado por ellos. Como autor de libros de divulgación científica más vendidos en la historia, Hawking dejó una riqueza incomparable en divulgación científica a los entusiastas de la ciencia. Entre sus numerosos libros de divulgación científica, los más famosos son "Una breve historia del tiempo", "El universo dentro de la concha" y "El gran diseño", conocida como la trilogía de Hawking, especialmente "Una breve historia del tiempo", escrita en Década de 1980. Se han vendido decenas de millones de copias en todo el mundo. Nunca he leído Una breve historia del tiempo entre entusiastas de la ciencia, y me da vergüenza decir que soy un entusiasta de la ciencia...
△"Una breve historia del tiempo" de Hawking
Por supuesto, Hawking Su identidad principal es la de un científico más que la de un escritor de divulgación científica. Entonces, ¿qué legado dejó a la comunidad científica?
Los logros científicos de Hawking se concentran principalmente en la cosmología. Como muchos científicos famosos, sus principales aportaciones las realizó básicamente cuando era joven. Mucha gente dice que Hawking no hizo nada en sus últimos años. Sólo quiero decir, ¿no es esto normal? ¿Cuántos físicos teóricos siguen sin hacer nada en sus últimos años?
Vale, basta de tonterías. Ahora pongámonos manos a la obra. ¿Qué nos dejó Hawking en ciencia…eh? ¿a nosotros? .....Espera, hay que decir que la comunidad científica...las contribuciones teóricas están relacionadas con nosotros...
Hawking hizo una enorme contribución a la cosmología, especialmente al estudio de los agujeros negros, en sus primeros años. De hecho, sus aportaciones teóricas se centraron principalmente en los agujeros negros.
1. Teorema de la singularidad
Hawking y el matemático Penrose * * * demostraron esto. Sus cálculos muestran que en condiciones iniciales muy generales, después de que la materia colapsa para formar un horizonte, aparecerá una singularidad en el espacio-tiempo, creando una singularidad. Según los cálculos, esta singularidad es un punto donde el tiempo es cero, es decir, es el principio o el fin del tiempo. Hawking y Penrose demostraron que el tiempo comenzó cuando comenzó el Big Bang y terminó cuando el agujero negro colapsó en su centro. El Teorema de la Singularidad una vez puso fin a la pregunta de qué era antes de BIGBANG, porque BIGBANG es el punto de partida del tiempo y no hay un antes.
La singularidad del Big Bang
En segundo lugar, el teorema de los agujeros negros sin pelo
Este teorema, que tiene nombres bastante poco halagadores tanto en chino como en inglés, fue demostrado por Investigadores como Hawking. Señala que después de que un cuerpo celeste crea un horizonte debido al colapso gravitacional, sólo las tres cantidades físicas de masa, carga y momento angular quedan al mundo exterior, y toda la demás información (incluida la temperatura) se perderá. Por eso, en China tiene un alias más elegante y apropiado: el teorema de Sanmao.
Sin embargo, tan pronto como se propuso este teorema, provocó una fuerte respuesta, en primer lugar desde el punto de vista de la mecánica cuántica, porque este teorema contradice una ley básica de la mecánica cuántica: la conservación de la información. Esto siempre ha sido controvertido en la comunidad de la física. Los relativistas creen que la información es, en efecto, no conservadora, pero los físicos cuánticos no están de acuerdo; Creen que la información debe preservarse.
Más tarde, Hawking afirmó haber demostrado que la información sí se conserva... Sin embargo, Kipstone, una autoridad en la teoría de la relatividad, creía que su prueba era errónea, por lo que actualmente no existe consenso en el ámbito científico. comunidad sobre si se conserva la información de los agujeros negros.
El segundo conflicto con el teorema del agujero negro sin pelo proviene de la termodinámica. Acabo de decir que la información sobre la temperatura se perderá después de que el material caiga en el horizonte de sucesos. Entonces aquí viene el problema. Si toda la entropía del mundo exterior se arroja a un agujero negro, la entropía del agujero negro no aumentará, pero la entropía del mundo exterior disminuirá. ¿No viola esto la segunda ley de la termodinámica?
Los teóricos de la relatividad pueden argumentar estas dos cuestiones al principio: el horizonte de sucesos del agujero negro es un sistema independiente, por lo que la información y la entropía agregadas no tienen nada que ver con el universo externo, por lo que no viola la cuántica. Mecánica y termodinámica. Realmente no tenemos nada que decir sobre esta explicación. Después de todo, según la teoría de la relatividad, lo que entra nunca puede salir. Nadie sabe lo que pasó dentro.
No tiene nada que ver con el mundo exterior. De esta manera, estos dos problemas ya no son un problema.
Sin embargo, a los pocos años, Hawking fue una gran noticia, haciendo que estos dos temas volvieran a convertirse en grandes problemas. Hablaremos de eso más tarde. (Ver punto 4)
Los agujeros negros no tienen pelo
En tercer lugar, el teorema del área no disminuye
Hawking señaló que cuando se forma el horizonte de sucesos, cualquier materia cae en el agujero negro. El área de superficie del horizonte de sucesos de un agujero negro solo aumentará, no disminuirá.
Cada materia contiene otro agujero negro. Por tanto, este teorema limitará la energía total de las ondas gravitacionales radiadas cuando dos agujeros negros se fusionan. Es decir, según el teorema de indefinibilidad del área, la energía total de la radiación de ondas gravitacionales producida por la fusión de dos agujeros negros debe ser inferior a un umbral, de modo que el área de superficie del horizonte de sucesos del agujero negro formado después de la La fusión de los dos agujeros negros es mayor que la suma de las áreas del horizonte de sucesos de los dos agujeros negros antes de la fusión.
El teorema de Hawking ha sido confirmado por los múltiples agujeros negros dobles y ondas gravitacionales detectados por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser LIGO desde 2015. Sin embargo, el peso de esta teoría no es suficiente y Hawking no ganó. algún premio por ello.
El evento de ondas gravitacionales demuestra el teorema de irreductibilidad del área.
Cuarto, la radiación de Hawking
Esta teoría que lleva el nombre de Hawking es reconocida como la contribución teórica más importante de la vida de Hawking. Aunque Hawking no fue la primera persona en proponer la radiación de los agujeros negros, con sus habilidades súper teóricas y matemáticas, ¡Hawking fue el primero en demostrar perfectamente la radiación de los agujeros negros! Para demostrarlo, construyó una teoría combinada de la relatividad general y la mecánica cuántica llamada teoría cuántica de campos del espacio-tiempo curvo. Intentó explicar los efectos cuánticos en el espacio-tiempo extremadamente curvado cerca de los agujeros negros. Según la mecánica cuántica, pares de partículas virtuales aparecen aleatoriamente en el vacío y luego se aniquilan, pero las cosas se ponen interesantes cuando estos pares aparecen en el espacio-tiempo extremadamente curvado alrededor del horizonte de sucesos de un agujero negro. Pueden aparecer en tres situaciones:
1. Al igual que en el espacio-tiempo plano, eventualmente serán aniquilados.
2. Antes de la aniquilación, uno de ellos cayó en el horizonte, y el otro también cayó en el horizonte.
3. El par de partículas virtuales está separado una distancia suficiente por el agujero negro y la fuerza de supermarea. Una de ellas cae en el horizonte de sucesos y la otra escapa. Cuando las partículas virtuales que escapan pierden la otra mitad con la que pueden aniquilarse, se convertirán en partículas reales, y las partículas virtuales que caigan en el agujero negro también se convertirán en partículas reales. Este proceso es como una partícula real emitida desde un agujero negro. Según la conservación de la energía, la energía total de las partículas reales que caen en un agujero negro y escapan hacia afuera es cero. Entonces, ¿las partículas reales que se irradian llevan energía positiva o energía negativa? Hawking señaló que las partículas reales que escapan hacia el exterior deben ser partículas reales que lleven energía positiva. Esto se debe a que el espacio-tiempo normal fuera de un agujero negro no permite la existencia de partículas reales con energía negativa. Si las partículas de energía positiva caen primero en un agujero negro, sólo pueden seguirlas y no pueden escapar. Sin embargo, el espacio-tiempo es diferente en un agujero negro. El horizonte de sucesos de un agujero negro es una brana unidireccional y en el horizonte de sucesos se intercambian el espacio y el tiempo. El espacio-tiempo especial en el horizonte de sucesos permite la existencia de partículas reales de energía negativa, por lo que las partículas reales que quedan afuera no necesitan ser seguidas para ser aniquiladas. Por tanto, un agujero negro puede seguir emitiendo partículas reales de energía positiva a un determinado ritmo. Al mismo tiempo, las partículas reales de energía negativa que caen en el horizonte de sucesos reducen la energía total del agujero negro. Este proceso es como un agujero negro que se evapora lentamente, por lo que la radiación de Hawking también se llama evaporación de agujero negro.
△Radiación de Hawking
5. Termodinámica de los agujeros negros
La termodinámica de los agujeros negros fue propuesta por primera vez por el físico estadounidense John Wheeler y desarrollada por su alumno Jacob ·Bekenstein Development. . Después de que Hawking demostrara el teorema de la inconveniencia del área, Bekenstein señaló que el área de la superficie de un agujero negro es muy similar a la entropía de la termodinámica y aumenta automáticamente. Pero Hawking se resistió a esta idea. Señaló que si un agujero negro tiene entropía, significa que tiene temperatura, por lo que debería producir radiación térmica. Pero la relatividad general no permite la radiación térmica de los agujeros negros, por lo que Hawking rechazó la idea de Bekenstein.
Pero al presentar el teorema del agujero negro sin pelo, dije que la existencia de agujeros negros viola la segunda ley de la termodinámica: la ley del aumento de entropía. Como un agujero negro puede verse como un sistema independiente, este problema puede evitarse. Pero la prueba de la radiación de Hawking hace que este problema sea inevitable, porque el agujero negro eventualmente se evaporará y desaparecerá, por lo que es el mismo sistema que el universo exterior. La radiación de Hawking demuestra que los agujeros negros emiten radiación y Hawking demuestra que la radiación producida es radiación de cuerpo negro. Desde este punto de vista, la razón original de Hawking para rechazar a Bekenstein es insostenible, ¡porque los agujeros negros emiten radiación térmica! Gracias a la demostración de la radiación de Hawking, también se estableció formalmente la termodinámica de los agujeros negros.
Echemos un vistazo a la termodinámica de los agujeros negros y las cuatro leyes de la termodinámica:
La ley cero de la termodinámica: si A y B están en equilibrio térmico con C, entonces A y B también deben estar en equilibrio térmico . Ésta es una ley termodinámica sobre la temperatura. En la termodinámica de los agujeros negros, la temperatura corresponde a la gravedad superficial del agujero negro. En otras palabras, la temperatura de un agujero negro está determinada por su gravedad superficial. Cuanto mayor es la gravedad superficial, mayor es la temperatura del agujero negro.
La primera ley de la termodinámica: la ley de conservación de la energía. Esta es una ley fundamental del universo y corresponde a la carga y al momento angular de un agujero negro.
La segunda ley de la termodinámica: la ley del aumento de entropía. Como se mencionó anteriormente, Bekenstein ha señalado que este es el teorema del área irreconciliable de Hawking.
La tercera ley de la termodinámica: la temperatura no se puede reducir al cero absoluto mediante procesos físicos finitos. Naturalmente, esto significa que la temperatura (gravedad superficial) del agujero negro no puede reducirse a cero mediante procesos físicos limitados.
Fórmula de Δentropía de Beckenstein para los agujeros negros
Aunque Hawking no propuso por primera vez la termodinámica de los agujeros negros, es obvio que cada ley de la termodinámica de los agujeros negros es inseparable de la teoría de Hawking, por lo que el agujero negro La termodinámica es No debería haber ninguna objeción a los aportes teóricos atribuidos a Hawking.
Este artículo tiene más de 3000 palabras... así que lo seré breve...
6. Conservación de la información sobre agujeros negros
Este punto fue. introducido antes También se mencionó cuando el agujero negro no tenía el teorema del cabello. Con la prueba de la radiación de Hawking, se ha convertido en un problema que debe enfrentarse nuevamente. A diferencia de la ley del aumento de entropía, Hawking aún se negó a admitir la conservación de la información después de probar la radiación de Hawking, e hizo una apuesta con su amigo Kip Thorne y los físicos cuánticos que apoyaban la conservación. Como casi todas las teorías anteriores de Hawking, la conservación de la información de los agujeros negros no fue propuesta por primera vez por el propio Hawking, pero fue el primero en dar una prueba matemática. Las matemáticas son demasiado buenas para ayudar... Cuando usó su prueba para anunciar que la apuesta había fracasado, el físico cuántico ganador pareció confundido y dijo: No entendí su prueba y no sé por qué gané. ..
Por supuesto, como se mencionó anteriormente, Thorne no está de acuerdo con su prueba, por lo que la conservación de la información de los agujeros negros sigue siendo controvertida. Una vez escuché al profesor Zhao Zheng de la Universidad Normal de Beijing, una autoridad en la teoría de la relatividad en China, decir que sentía que había algo mal en la prueba de Hawking sobre la conservación de la información en los agujeros negros. En un proceso, asumió matemáticamente que el tiempo era reversible (es decir, que podía retroceder en el tiempo).
Sin embargo, está claro que Hawking y la mayoría de los físicos creen que la prueba es correcta. Han construido algunas teorías para explicar adónde va la información material que cae en el agujero negro, como la teoría del muro cortafuegos y la teoría del cabello suave.
Paradoja de la información del agujero negro y su solución
VII. El Universo Ilimitado
Esta puede ser la única contribución teórica que Hawking puede reclamar. El universo ilimitado es probablemente la parte más difícil de "Una breve historia del tiempo" de Hawking. Para ser honesto, no estoy seguro de poder decirlo. Afortunadamente, ahora hay suficientes palabras, así que puedo omitir algunas...
Sabemos que el tiempo y el espacio en el universo tienen propiedades completamente diferentes, aunque son isomórficos a la totalidad del espacio-tiempo. Después de que la teoría especial de la relatividad unifica el espacio y el tiempo, el tiempo se puede convertir en espacio, lo cual se basa en la velocidad constante de la luz ct (la velocidad de la luz multiplicada por el tiempo para obtener la distancia), pero esta debe tener signo negativo cuando describiendo la posición en el espacio, es decir, S? =x? +y? +z? -(Connecticut)? Minkowski, profesor universitario de Einstein, cambió el signo negativo por uno positivo añadiendo un número imaginario, concretamente S, al término de transformación espacio-temporal. =x? +y? +z? +(tic)? De esta manera se construye un espacio de cuatro dimensiones: el espacio de Minkowski.
Quizás Hawking se inspiró en ello. En su Teorema de la Singularidad, demostró que había una singularidad al comienzo del Big Bang, el comienzo de los tiempos, pero esto significaba que hubo un momento de creación en el universo. Como ateo, a Hawking no le gustó mucho esta conclusión. Por lo tanto, también agregó un término imaginario al eje del tiempo, haciendo del eje del tiempo un eje imaginario perpendicular al tiempo real original, haciendo que el tiempo imaginario tenga las mismas propiedades que el espacio y convirtiéndose en la cuarta dirección del espacio. El eje del tiempo tiene las mismas propiedades que el espacio, lo que significa que puede ser tan cerrado como el espacio (la expansión acelerada del universo no se ha descubierto en ese momento, y generalmente se cree que el universo es una hiperesfera cerrada), por lo que hay No hay un punto de partida ni un punto final.
Hawking utilizó la analogía de una esfera. Cuando sigues el Polo Norte hasta el Polo Sur, no te detienes. Desde su punto de vista, la Antártida no es diferente a cualquier otro lugar.
De esta manera, Hawking construyó un universo sin límites en el tiempo y, al mismo tiempo, derribó su primera teoría importante: el Teorema de la Singularidad. La singularidad que invalida todas las leyes físicas: el punto de partida del tiempo no existe. El colapso del universo en el tiempo virtual es como caminar del Polo Norte al Polo Sur. Nada puede impedirte avanzar...
Genios que se atreven a desafiarse a sí mismos.
Después de leer esto, creo que no dudarás de que Hawking es un genio. Casi todas las teorías importantes de Hawking fueron precedidas por otra, pero él las completó primero. Lo que es aún más impresionante es que Hawking nunca ha tenido miedo de negar sus teorías. A veces pienso que simplemente quiere revertir sus teorías anteriores...
Por ejemplo, la radiación de Hawking "revocó" el teorema de invariancia del área, los agujeros negros no tienen teorema de cabello y el universo sin límites "revocó" la singularidad teorema..
Solo quiero decir, Hawking, ¿estás bromeando? ¿Todavía estás bromeando? ……
El genio sin fin