Interpretación de una breve historia del tiempo
"Una breve historia del tiempo" es el libro de divulgación científica más famoso y más vendido del mundo. Después de la publicación de "1988", apareció en la lista de los más vendidos durante 237 semanas consecutivas, o cuatro años y medio, estableciendo un récord de mayor venta sin precedentes. Este libro ha sido traducido a más de 40 idiomas e impreso más de 1 millón de ejemplares, lo que significa que cada 700 personas en el mundo tienen una breve historia del tiempo, así lo afirma el profesor Hawking
En recientes Durante años, ha habido muchos libros titulados "Una breve historia de qué", como "Una breve historia de todo", "Una breve historia de la humanidad" y "Una breve historia del futuro" del profesor Hawking. Historia del Tiempo" es el primero de su tipo.
El libro "Una breve historia del tiempo" no es muy grueso, con sólo más de 200 páginas y cientos de miles de palabras, pero cubre un amplio rango de contenidos, desde la teoría de la relatividad hasta la cuántica. mecánica, desde la expansión del universo hasta las partículas elementales, desde los agujeros negros hasta los agujeros de gusano. Entonces, después de leer este libro, tendrá una comprensión más profunda de nuestro mundo y el universo.
Pero, para ser honesto, el libro "Una breve historia del tiempo" no es muy amigable para la gente común, es demasiado difícil. Debido a que el profesor Hawking sólo dio una introducción muy breve a muchos conceptos físicos, algunos de ellos se mencionaron brevemente. Es posible que las personas que no tienen conocimientos de física no entiendan de qué está hablando el profesor Hawking. Varias agencias han realizado investigaciones. Muchas personas que han leído "Breve historia del tiempo" han olvidado todo el contenido excepto los chistes y la historia mencionados en el primer capítulo, es decir, no lo han leído. En Kindle, el progreso de lectura promedio de "Una breve historia del tiempo" es de solo 6, lo que significa que muchas personas compraron "Una breve historia del tiempo" pero se dieron por vencidos después de leer el primer capítulo.
Así que me animé, le pedí a Yu Yong que se animara y traté de explicarles la esencia de una breve historia del tiempo y la contribución del profesor Hawking al estudio del universo. Porque cuando el profesor Hawking encargó a sus dos estudiantes chinos que tradujeran "Una breve historia del tiempo" al chino, dijo una vez: "Espero que una quinta parte de la gente en el mundo conozca mi investigación".
Profesor Hawking cree que su contribución académica más importante es el estudio de las singularidades y los agujeros negros, por lo que en esta interpretación divido las teorías importantes del profesor Hawking en tres partes en orden cronológico:
Primero, los profesores Hawking y Penrose demostraron la famoso teorema de la singularidad, que está relacionado con la relatividad general y la expansión del universo.
El profesor Hawking propuso entonces el modelo sin límites del universo, creyendo que el universo no tiene fronteras, ni principio ni fin, lo cual es un desafío a Dios.
Finalmente, el profesor Hawking demostró que los agujeros negros también pueden emitir radiación, la llamada radiación de Hawking.
Primero, hablemos del teorema de la singularidad demostrado por el profesor Hawking y el profesor Penrose.
Antes del siglo XX, la gente siempre suponía que el universo era estacionario. Aunque la ley de gravitación universal de Newton explicaba que los diferentes objetos se atraen entre sí, la gente todavía inventó varios métodos para mantener la idea de que el universo es estacionario. Incluso Einstein tropezó con esta cuestión.
Einstein publicó su teoría general de la relatividad en 1915 y propuso que el espacio-tiempo puede ser curvado. Según las ecuaciones de Einstein, el universo no es estático, pero Einstein creía que algo debía estar mal. Así que Einstein impuso una "constante cosmológica" en sus ecuaciones, de modo que, según las ecuaciones modificadas, el universo se volvió estático.
Pero en la década de 1920, cuando los científicos observaban otras estrellas, descubrieron que muchas estrellas tenían un fenómeno llamado "corrimiento al rojo", lo que significaba que estas estrellas se estaban alejando de la Tierra. Inicialmente, se pensó que el movimiento de estas estrellas era aleatorio, lo que significaba que algunas estrellas se alejaban de nosotros, pero otras se acercaban.
Pero en 1929, el astrónomo estadounidense Hubble (llamado así por el telescopio Hubble) descubrió que la mayoría de las estrellas están lejos de la Tierra. Cuanto más lejos están estas estrellas de la Tierra, más rápido se alejan de la Tierra. tierra. .
¿Qué significa esto? Déjame darte un ejemplo:
Si tomas un globo, usa un bolígrafo de acuarela para dibujar algunos puntos en diferentes partes de la superficie del globo y luego sopla aire dentro del globo a medida que el globo se hace más grande. y más grande, Los puntos que dibujes se alejarán cada vez más, y cuanto más separados estén dos puntos, más rápido se alejarán uno del otro.
Este globo es en realidad equivalente a nuestro universo, y los puntos del globo son equivalentes a la Tierra y otras estrellas. La mayoría de las estrellas se alejan cada vez más de la Tierra, lo que indica que nuestro universo se está expandiendo.
Sólo después de que Einstein se enteró de esta observación se dio cuenta de que la constante cosmológica que había introducido en la ecuación era completamente innecesaria. El universo no es estático, sino que de hecho se está expandiendo, por eso Einstein dijo más tarde: "La constante cosmológica es el mayor error que cometí en mi vida".
Después de descubrir la expansión del universo, los científicos llamaron a Einstein Basado Sobre la base de la teoría general de la relatividad, se encontró un nuevo modelo para describir el universo en expansión, que es el modelo de Friedmann.
Los científicos han descubierto que en el modelo de Friedman, si el tiempo avanza, el universo se contrae. Si retrocedemos el tiempo hasta hace 65,438 500 millones de años, la distancia entre todas las galaxias se volverá cero, al igual que todo el universo, comprimido en un punto.
Este punto se llama singularidad. Es el comienzo del espacio y el tiempo en el universo.
Las propiedades de una singularidad son muy especiales, y nos resulta difícil imaginar intuitivamente qué es, pero mediante cálculos matemáticos podemos saber que el volumen de una singularidad es infinitamente pequeño, infinitamente curvado, infinitamente denso e infinitamente atractivo.
Aquí hay muchos infinitesimales e infinitesimales, pero las matemáticas, de hecho, no pueden tratar realmente con infinitesimales e infinitesimales, lo que significa que aunque el modelo de Friedmann lo propone en términos de la relatividad general, todos ellos, incluida la relatividad general, las teorías físicas fallan en las singularidades.
Por lo tanto, el profesor Hawking dijo que la aparición de singularidades demuestra que la relatividad general es sólo una teoría incompleta. Porque al principio del universo fracasó.
Ahora que entendemos qué es la singularidad, echemos un vistazo a qué contribuciones ha hecho el profesor Hawking en este proceso de investigación. ¿Qué piensa de la Singularidad?
Cuando se propuso por primera vez la teoría de la singularidad, no todos los físicos estaban de acuerdo con ella. Según el profesor Hawking, el propio Einstein no lo creía. Einstein creía que si avanzamos en el tiempo, diferentes galaxias no chocarán, sino que sólo se separarán.
Sin embargo, después de leer algunas investigaciones relevantes del profesor Penrose, el profesor Hawking se dio cuenta de que la teoría de la singularidad debía establecerse.
Después de varios años de arduo trabajo, el profesor Hawking y el profesor Penrose utilizaron rigurosos métodos matemáticos para demostrar que si la teoría general de la relatividad es correcta y efectivamente hemos observado tantas estrellas, galaxias y otros objetos en el universo , materia, entonces el universo debe haber nacido en una singularidad hace mucho tiempo. Esta singularidad es el comienzo del universo.
Esta teoría ahora se conoce como Teorema de la Singularidad de Penrose-Hawking.
Al principio, muchas personas se mostraron reacias a aceptar las conclusiones de la investigación del profesor Hawking porque no les gustaba la idea de que el universo tuviera un comienzo. Otros creen que esta conclusión viola el determinismo científico y destruye la perfecta teoría general de la relatividad, pero no hay nada que puedan hacer porque el profesor Hawking no sólo está diciendo tonterías, sino que tiene los pies en la tierra y demostró este resultado con cálculos matemáticos. Las matemáticas no pueden mentirle a la gente y la gente no puede discutir las leyes matemáticas.
Así que ahora, nos guste o no, casi todos los físicos están de acuerdo en que nuestro universo nació de una singularidad.
Decimos que demostrar el teorema de la singularidad es una de las mayores contribuciones científicas del profesor Hawking, pero más tarde, el profesor Hawking cambió de opinión y propuso un modelo de universo ilimitado, creyendo que el universo no necesita nacer en un singularidad.
A continuación, echemos un vistazo a ¿qué tiene de especial el modelo de universo ilimitado propuesto por el profesor Hawking?
Dijimos antes que el profesor Hawking y el profesor Penrose demostraron el teorema de la singularidad, y luego casi todos los físicos admitieron que nuestro universo nació en una singularidad. ¡El momento en que nació el universo se llama Big Bang!
La teoría del Big Bang es el modelo más convencional que describe el origen del universo.
Ahora veamos el modelo del Big Bang, que describe el momento del origen del universo:
En el momento del Big Bang, el volumen del universo era cero y la temperatura era infinitamente alta. Entonces el universo empezó a expandirse rápidamente y su temperatura empezó a disminuir.
Un segundo después del Big Bang, la temperatura del universo descendió a 100 mil millones de grados, que puede ser la temperatura más alta que se puede alcanzar cuando explota una bomba de hidrógeno.
100 segundos después del Big Bang, la temperatura del universo siguió bajando hasta los 10 mil millones de grados, y los protones y neutrones comenzaron a combinarse para formar núcleos atómicos.
Después de esto, la temperatura del universo continuó disminuyendo y expandiéndose. Un millón de años después, la temperatura del universo descendió a unos pocos miles de grados y comenzaron a formarse átomos.
A medida que la temperatura del universo continúa bajando, comienzan a formarse estrellas y galaxias;
Ahora, han pasado 654.3805 millones de años, el universo se ha expandido muchas veces y la temperatura ha aumentado. permaneció muy bajo.
La temperatura del universo hoy está sólo un poco por encima del cero absoluto, pero todas las partes del universo todavía tienen la energía del Big Bang en ese momento. También podemos observar lo que los científicos llaman la radiación de fondo de microondas. , que parece llenar el universo con ruido de fondo.
Aunque la teoría del Big Bang suena misteriosa y parece un poco increíble, es consistente con nuestra evidencia observacional actual, por lo que ha sido ampliamente aceptada por los físicos.
Pero esta teoría todavía avergüenza a muchos físicos. Verás, según mi descripción anterior, puedes sentir que el Big Bang es la singularidad del universo. Luego, toda la materia del universo, incluso el espacio y el tiempo, surgió después del Big Bang. Cualquier evento anterior al Big Bang no tiene sentido para nosotros o no existe en absoluto. En otras palabras, el espacio y el tiempo del universo no son infinitos, pero tienen un espacio y un tiempo muy especiales.
Pero el problema es que, como mencionamos anteriormente, la singularidad del Big Bang es una existencia muy especial. Aquí fallan todas las leyes de la física y la gente no tiene idea de lo que sucederá en esta singularidad. Entonces, ¿cómo surgieron ahora las leyes que sigue el universo? ¿Quién hace estas reglas?
¿Es realmente Dios?
Debido a este problema, los científicos aún no lo han explicado bien, por lo que han dejado un rayo de esperanza a la comunidad religiosa.
El profesor Hawking recordó que en 1981, el Papa invitó a muchos científicos y celebró una conferencia de cosmología. Después de que hablaron los científicos, el Papa dijo que se pueden estudiar las diversas historias y leyes después del Big Bang, pero que ustedes, los científicos, no deberían estudiarlo en el momento del Big Bang, porque ese fue el momento en que todas las cosas nacieron, y ese Era asunto de Dios.
El profesor Hawking también pronunció un discurso en esta reunión. El tema del discurso fue el modelo de universo sin límites. Después de escuchar las palabras del Papa, el profesor Hawking murmuró para sí mismo: "¡Parece que el Papa no entendió lo que dije!"
Porque en este momento, el modelo de universo ilimitado propuesto por el profesor Hawking significa que el El universo no tiene principio, no hay momento de nacimiento, por lo que no hay lugar para Dios en absoluto.
¿Por qué dijo eso el profesor Hawking?
Echemos un vistazo al modelo de universo sin límites.
Cuando mencionamos antes el teorema de la singularidad y el modelo BIGBANG, siempre hubo una premisa, es decir, la teoría general de la relatividad es correcta.
Pero esta premisa puede no ser realmente sostenible. Esto no quiere decir que la relatividad general esté equivocada, sino que es una teoría incompleta que no está integrada con la mecánica cuántica.
En el siglo XX, los dos descubrimientos más importantes de la física y las dos teorías más básicas de la física actual son la teoría de la relatividad y la teoría cuántica.
En términos generales, la teoría de la relatividad se ocupa del ámbito macroscópico, como el movimiento de las galaxias, mientras que la teoría de la mecánica cuántica se ocupa del ámbito microscópico, como el movimiento de las partículas. Cuando se trata de estudiar teoría general, ambos sistemas son indistinguibles.
Sin embargo, el profesor Hawking cree que a la hora de estudiar la singularidad del Big Bang es necesario combinar la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Él cree que el teorema de la singularidad ha explicado que en el caso extremo de la singularidad del Big Bang, la relatividad general ya no puede describir bien el universo, y en este momento se deben considerar los efectos cuánticos.
Basándonos en la teoría general de la relatividad, sólo existen dos posibilidades para el universo, o el tiempo infinito o el comienzo de la singularidad del Big Bang. Sin embargo, si se introduce la mecánica cuántica, habrá una nueva posibilidad: un universo finito e ilimitado.
Finito e ilimitado significa que el espacio y el tiempo del universo son limitados, pero no tienen fronteras. ¿Suena un poco mareado? ¿Un poco contradictorio? Déjame darte un ejemplo y te resultará fácil de entender:
Usamos la tierra como analogía. Nuestra Tierra es un planeta finito y conocemos su diámetro y tamaño. Sin embargo, la tierra no tiene fronteras ni comienzo. Si siguieras caminando sobre la tierra, nunca alcanzarías los límites de la tierra, y mucho menos caerías fuera de la tierra. Entonces la tierra es un planeta finito e infinito.
El modelo de universo sin límites del profesor Hawking es un universo de cuatro dimensiones en el que el espacio y el tiempo están entrelazados. En este universo, el espacio-tiempo es como la superficie de la Tierra, su extensión es limitada, pero no tiene fronteras ni singularidades. Cada punto del espacio-tiempo no es nada especial, como un punto de la Tierra. Las leyes científicas son aplicables en cualquier momento y espacio, y no habrá fracaso ni colapso.
En el modelo de universo ilimitado, no hay singularidades especiales en el universo, por lo que no se requieren leyes especiales de Dios. Según el profesor Hawking, el universo es completamente autosuficiente y no se ve afectado por nada externo y no tiene momentos de creación y destrucción. De esta manera, Dios no necesitaría a Dios para crear el universo.
Cabe señalar que el propio profesor Hawking ha enfatizado repetidamente que el modelo del universo sin límites es actualmente solo una idea, equivalente a la opinión de su familia. El modelo dominante actual del universo sigue siendo el modelo del Big Bang.
Por supuesto, el modelo sin límites del universo no es una charla vacía. Es un intento de combinar la teoría de la relatividad con la mecánica cuántica, y también es una teoría científica comprobable.
Las dos teorías anteriores están relacionadas con BIGBANG y la singularidad. Además de este campo, la otra contribución académica más importante del profesor Hawking es el estudio de los agujeros negros. Así que echemos un vistazo a las contribuciones del profesor Hawking al estudio de los agujeros negros. ¿Por qué dice que los agujeros negros no son tan negros?
Primero echemos un vistazo a qué es un agujero negro.
Esto comienza con el principio de las estrellas. Como todos sabemos, existe una fuerza gravitacional entre sustancias, y cuanto mayor es la masa del objeto, mayor es la fuerza gravitacional. Las estrellas como el Sol tienen una fuerte atracción gravitacional. Cuando una estrella se ve afectada por su propia gravedad, tiende a colapsar hacia adentro. Entonces, después de tantos años, ¿por qué el sol sigue siendo tan grande? ¿Por qué no colapsó debido a la gravedad interna?
Esto se debe a que, dentro del sol, todavía hay una fuerza de soporte que puede equilibrar la gravedad. La temperatura dentro del sol es muy alta y los átomos de hidrógeno con número atómico 1 chocan violentamente y se combinarán para formar átomos de helio con número atómico 2. En este proceso se liberará una enorme cantidad de energía (fusión nuclear), lo que equivale a innumerables bombas de hidrógeno explotando dentro del sol, lo que proporcionará una bomba de hidrógeno para el sol.
Entonces viene la pregunta. El soporte interno de las estrellas se sustenta en estas "materias primas nucleares", pero tarde o temprano estas materias primas se quemarán. Una vez quemada, la estrella continúa colapsando bajo la influencia de la gravedad. ¿Qué pasará en este momento?
Existen varias posibilidades para el destino final de una estrella. Si la estrella tiene una masa relativamente pequeña, colapsará hasta el punto de que su atracción gravitacional eventualmente equilibrará las fuerzas repulsivas entre las partículas del interior y eventualmente se convertirá en una estrella de neutrones o una enana blanca. Pero si la estrella tiene una masa enorme, más de un sol y medio, entonces cualquier repulsión entre sus partículas internas no será suficiente para compensar la gravedad, por lo que la estrella continuará colapsando y se convertirá en un pequeño cuerpo celeste positivo y en un masivo. agujero negro.
Después de comprender los principios de formación de los agujeros negros mencionados anteriormente, se puede comprender fácilmente la naturaleza de los agujeros negros. La característica más importante de un agujero negro es su poderosa gravedad. Cualquier materia, incluida la luz, nunca podrá escapar de un agujero negro mientras entre en una determinada región crítica. Si alguien se acercara a un agujero negro, la inmensa gravedad rápidamente lo estiraría y lo destrozaría.
Mirando desde fuera, si ni siquiera la luz puede escapar, entonces, por supuesto, el agujero negro es completamente negro, de ahí el nombre del agujero negro. Pero el problema es que esta atractiva propiedad de los agujeros negros entra en conflicto con la segunda ley de la termodinámica.
Según la segunda ley de la termodinámica, los agujeros negros deberían tener una temperatura. Mientras tenga temperatura, debería emitir radiación y partículas, y los agujeros negros no deberían ser una excepción. Pero como dije antes, ni siquiera la luz puede escapar de la atracción gravitacional de un agujero negro. ¿Cómo escapan las partículas de un agujero negro?
De hecho, casi todos los físicos, incluido el profesor Hawking, estaban confundidos por esta pregunta, pero utilizando la teoría cuántica, el profesor Hawking respondió con éxito a esta pregunta.
El profesor Hawking descubrió que los agujeros negros emiten partículas, pero estas partículas no escapan del agujero negro, sino que emergen del espacio vacío en el borde del agujero negro.
Para entender lo que dijo el profesor Hawking, lo más importante es entender el principio de incertidumbre de Heisenberg en la teoría cuántica.
El principio de incertidumbre de Heisenberg dice que cuando medimos partículas, campos gravitacionales, campos electromagnéticos, etc. , encontraremos que si medimos una de las cantidades físicas con mayor precisión, la medición de la otra cantidad física será menos precisa. Por ejemplo, cuanto más precisa sea la medición de la velocidad de una partícula, más confusa será su comprensión de su ubicación. Es imposible para los humanos captar la posición precisa y la velocidad de una partícula al mismo tiempo.
Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, incluso un espacio vacío que parece no contener nada en realidad es ondulante a nivel microscópico. Piensas que si un espacio está completamente vacío, significa que la intensidad del campo gravitacional o del campo electromagnético es cero, y la tasa de cambio también es cero. Sin embargo, estas dos cantidades físicas se captan con precisión al mismo tiempo, lo cual. Obviamente viola el cuasiprincipio de indeterminación de Heisenberg, es imposible.
¿Cómo es un espacio tan vacío? Sorprendentemente, en el vacío se crean constantemente pares de partículas. Para mantener la conservación de energía, algunas de estas partículas tienen energía positiva y otras tienen energía negativa. Chocan y serán aniquilados simultáneamente.
Llegados a este punto, podemos echar un vistazo a lo que significa la explicación del profesor Hawking. El profesor Hawking propuso que, aunque el borde de un agujero negro parece estar vacío, en realidad se producen pares de partículas todo el tiempo. Las partículas con energía negativa serán absorbidas por el agujero negro, pero algunas partículas con energía positiva pueden escapar del borde. el agujero negro y huir a otros lugares. Entonces, cuando nos paramos fuera de un agujero negro y lo miramos, parece que el agujero negro emite constantemente estas partículas. Se trata de la radiación de un agujero negro, también conocida como radiación de Hawking.
Es precisamente por esta radiación que el profesor Hawking dijo que los agujeros negros no son completamente negros.
La radiación de Hawking es una teoría muy valiosa en física, porque el nacimiento de un agujero negro se calcula mediante la relatividad general, y la radiación de un agujero negro se explica mediante la mecánica cuántica. En otras palabras, la radiación de Hawking es un intento de combinar la relatividad general, la mecánica cuántica y la termodinámica, por lo que aunque no se ha observado la radiación de Hawking, todavía tiene un alto valor teórico.
Aquí termina la esencia de “Una breve historia del tiempo”, que es la contribución del profesor Hawking al estudio del universo.
Repasemos todo el asunto -
El primer punto del que hablamos es la teoría de la singularidad de Penrose-Hawking. Una singularidad es un punto con un volumen infinitamente pequeño, una curvatura infinita, una densidad infinita y una gravedad infinita. Demostraron mediante métodos matemáticos rigurosos que si la relatividad general es correcta y de hecho hay tanta materia en el universo que observamos, entonces el universo debe haber nacido en una singularidad.
El segundo punto del que hablamos es el modelo de universo sin límites propuesto por el profesor Hawking. En el modelo convencional del Big Bang, el universo tiene un punto de partida, que es la singularidad del Big Bang. Pero en el momento del Big Bang, todas las leyes físicas fallan, por lo que los científicos todavía no pueden explicar por qué el universo debe ser así. . Otros dicen que ese fue el momento en que Dios creó el mundo, por lo que no se puede explicar científicamente. A diferencia del modelo de BIGBANG, el profesor Hawking introdujo la mecánica cuántica en su modelo de universo sin límites, creyendo que el universo no tiene límites, por lo que no hay singularidad, ni principio ni fin, y por lo tanto no se necesita ningún Dios para crear el universo;
El tercer punto del que hablamos es sobre la investigación del profesor Hawking sobre los agujeros negros, concretamente la radiación de Hawking. El profesor Hawking propuso que los agujeros negros no son completamente negros, sino que también emiten radiación.
Según el principio de incertidumbre, el vacío en el borde del agujero negro en realidad no está completamente vacío, sino que produce continuamente pares de partículas. Algunas de las partículas son absorbidas por el agujero negro, pero otras escapan del borde del agujero negro. Esto equivale a que el agujero negro emita partículas. Este fenómeno es la radiación de Hawking.