霍金与伽利略:300年间的科学巨变

作者: 矩阵星

来源: 果壳

发布日期: 2021-01-08

本文讲述了伽利略和霍金这两位物理学家的生平及其对物理学的贡献,特别强调了他们在科学探索中表现出的精神属性,以及300年间物理学研究方法和人类对待科学态度的巨大转变。

霍金在伽利略逝世300年后出生,今天分别是他们的生日和忌日。今天是1月8日,在物理学史上是个不平凡的日子。1642年1月8日,年数已高的伽利略·伽利雷在意大利佛罗伦萨溘然长逝。3个世纪后的1942年1月8日,一个新生儿降生在英国牛津,被父母命名为斯蒂芬·霍金。伽利略与霍金,前者的忌日与后者的生日相隔整整300年,这一美妙的巧合一直为物理学界津津乐道。

也正是在这300年间,历史见证了朴素的经典物理学向以量子力学和广义相对论为支柱的现代物理学的跨越,伽利略和霍金也正是经典和现代物理学的杰出代表。

从月球环形山到黑洞,伽利略和霍金都对我们头顶的浩瀚星空进行了深入的研究,只是两人的研究方式可以说是大相径庭。伽利略对宇宙的探索,主要依靠他亲手改造的望远镜,他是历史上第一个用望远镜观察天体的人。在望远镜中,他发现了月球上的环形山、绕着木星转动的四颗卫星、土星环还有太阳黑子,每一项都称得上是天文学的重大突破,这也让伽利略被后人称为“观测天文学之父”。

时间来到霍金所处的20世纪,伽利略发现的月球环形山上已经留下了人类的足迹。天文学观测宇宙的工具从可见光拓展到了红/紫外线、X射线等整个电磁波谱,天文学家以此来研究宇宙中数千亿颗恒星的光谱与构成,发现了脉冲星、类星体等特殊的天体。广义相对论甚至预测了一种全新的天体:黑洞。黑洞质量如此之大,密度如此之高,以至于光线都无法逃脱它的引力。

霍金学术成果集中体现在他对黑洞理论的巨大贡献,他与彭罗斯共同提出了彭罗斯-霍金奇点定理,并根据量子效应提出黑洞内部存在辐射(后来被命名为霍金辐射)。

物理与数学的相爱相杀,同为窥探宇宙奥秘,伽利略的工具是望远镜,霍金的工具则是高度形式化的数学,这也反映了300年间物理学研究方法的巨大转变。就物理学思维而言,伽利略已经站在了时代最前列,他是最早尝试用数学语言描述物体运动规律的科学家之一,比如用坐标描述抛射物体的运动轨迹。用数学定量描述物体运动的思想后来被牛顿发扬光大,发展出了以微积分为数学。

迈向科学时代,在伽利略逝世和霍金出生相隔的300年间,人类社会发生了多次科学革命,对待科学技术的态度也发生了根本性的转变,从伽利略和霍金的作品受到的待遇上就可以非常明显地看到这一点。伽利略所处的时代对他的科学探索并不友好。那时候科学还没能从哲学和宗教中完全分离出来,相比起实验结果,主流思想界更愿意相信古希腊的先哲和《圣经》。

一脉相承的科学家精神,抛开伽利略和霍金的学术成就,如果将更多关注点放到他们的生平事迹上,两人在科学探索中表现出的精神属性同样值得后世铭记。伽利略能在思想封闭的大环境下取得突破性的成就,核心原因之一就是他绝不迷信权威。在伽利略看来,不管你是教皇还是亚里士多德甚至是《圣经》中的上帝,如果你的理论和我的观测结果相悖,那么我就要向你提出质疑。

教会的审判和软禁更使他成为遭受不公待遇的代表科学家之一,提高了他在人类科学史中的地位。

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