从爱因斯坦到霍金的宇宙论文

从爱因斯坦到霍金的宇宙论文

本课程由北京师范大学赵峥教授用通俗的语言定性介绍爱因斯坦的狭义与广义相对论，以及建立在此基础上的黑洞理论和现代宇宙学。有没有黑洞，它有什么特点；什么是弯曲的时空。膨胀的宇宙；可不可能有时空隧道和时间机器。介绍爱因斯坦和霍金的创新经历，他们对科学的贡献。而我在学习本课程之后选择了黑洞这个问题作为论题。

历史上的物理学家对黑洞的认识经历了漫长而曲折的过程：1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔提出了这么一种天体，它的质量如此之大，以至于它的引力如此大，连以光速运动的光也不能逃脱。当时提出叫这种星名为暗星——不发且不反光的星。米歇尔（1783年）在《宇宙体系论》和拉普拉斯（1796年）在《天体力学》都提到暗星。后来一段很长的时间内，人们并未对此有太多关注，因为这未免太不可信。直到1928年，一位印度研究生——萨拉玛尼安·钱德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，恒星变得足够紧密之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。钱德拉塞卡计算出：一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力（钱德拉塞卡极限）。前苏联科学家朗道几乎在同时也发现了类似的结论。钱德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。所以如果恒星质量小于1.4倍太阳质量会形成白矮星而终止生命。如果恒星质量达到钱德拉塞卡极限（1.4倍太阳质量）会经过超新星爆发形成中子星才终止生命。但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢？这个问题被年轻的美国人罗伯特·奥本海默于1939年首次解决。恒星质量达到奥本海默极限（2~3倍太阳质量）会经过超新星爆发形成黑洞终止一切。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。直到1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，最后，他们确认这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星。中子星的发现对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。再往后，就有霍金、彭罗斯等人的工作了。黑洞无毛理论、黑洞温度（辐射）与质量的反相关关系、黑洞不黑（霍金辐射）理论、黑洞面积与熵对应证明等等。在整个黑洞研究过程中，最初涉及到的理论依据主要是牛顿的引力论中将光类似于炮弹的模型，后来直到爱因斯坦的广义相对论提出后，黑洞研究才有了重要进展。 不论怎样，科学一直在发展，一直在改变，人类对于宇宙的认知也一直在改变，但是，能取得如此成果，是离不开那些科学家们的努力的。不过，人类还是不够了解宇宙，还有不足，人类还需要继续对这神秘宇宙的探索。