出品：中国的科普

制作：左文文（中国科学院上海天文台）

监制：计算机网络信息中心

2018 年 3 月 14 日，霍金去世了，全世界都在哀悼这颗巨星的陨落。作为现代最伟大的物理学家之一，霍金本人甚至是科学的化身。今天是他逝世一周年，让我们重新进入他的世界，进一步了解这位科学巨人的人生历程。

△图：2006年6月19日，霍金参观了天坛（图片来自http://app.myzaker.com/news/article.php?pk=5aa8bba61bc8e01a49000013）

还记得2017年的3月23日，霍金打开新浪微博，来自微博的两条消息吸引了数百万粉丝，可见他在国内的关注度非常高。对许多读者来说，我对黑洞感兴趣，部分原因可能是霍金的科普作品。他积极公开宣传物理理论，并且用通俗的语言写了很多科普作品，相信大家都看过他的书《时间简史》和《果壳中的宇宙》等书籍。大学时，虽然我看不懂《时间简史》，而是被书中的黑洞深深吸引，最后，我决定选择黑洞作为我的研究方向，我还是喜欢。因此，真的要感谢霍金的启发，借此机会，告诉霍金我从书中学到了什么，试图展现一个更全面的他，尤其是他取得了哪些学术成就。

生于战争年代，父母都是知识分子

童年霍金（图片来自百度百科）

1942年1月8日，霍金出生在牛津，我出生在伽利略去世的同一天300年忌日。1942年，在伦敦和英格兰南部的大部分地区，每天晚上都会被德国空军轰炸。当时，相比剑桥，牛津相对安全，因为据说，交战双方似乎达成了默契，如果德国不轰炸牛津和剑桥，英国不会轰炸海德堡和哥廷根。这就是原因，霍金的父母决定搬到牛津，生下霍金。

霍金的父母都是牛津毕业生。父亲主修医学，母亲的学习哲学、政治学和经济学。霍有两个亲生姐姐，菲利帕（小1岁）和玛莉（小5岁）还有一个弟弟爱德华（小14岁）。他们都喜欢听音乐，读聪明的书，罗素是他们共同崇拜的英国人。在别人眼里，他的家庭是一个有点古怪的高级知识分子家庭。

△霍金的父母（图片来自http://m.hexun.com/book/2014-09-15/168471309.html）

学术成就，但是身体跟他开了个玩笑

1952年9月，霍金进入圣奥尔本中学。在学校的表现可以概括为这些特点：用功、看起来很奇怪、笨拙的动作、聪明、和有才华的朋友分享各种兴趣。朋友表情，他很有洞察力。

1957年7月，普通班考试后，学生需要确定选修科目。他也面临着我们可能会遇到的问题：自己的兴趣和父母的期望是有区别的，他希望自己学习数学和物理，因为这两门学科可以帮助他探索宇宙的奥秘；他父亲想让他学医，觉得学数学不好找工作。最后，双方都做出了让步，霍金进入牛津大学大学学院，学习物理和化学。

1959年，年仅17他20岁时进入牛津大学，还获得了奖学金。1962年，他进入剑桥大学攻读博士学位。

△图：牛津游艇俱乐部合影（图中霍金拿着手帕）（图片来自https://zhuanlan.zhihu.com/p/34553201?from_voters_page=true）

进入剑桥大学后，霍金决定选择宇宙学作为自己的研究方向。当研究广义相对论时，他发现自己的数学基础不够扎实，学习上有些困难。不久以后，1963年，他发现自己越来越不灵活，他后来被诊断出患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症，医生预言他可以再活一次2年。

他遭受了致命的一击，感到绝望，感觉自己的人生就像一场悲剧。“为什么这事会发生在我身上？”他曾经问过自己这个问题。在医院里，他出事了，他的一个患白血病的临床男孩死了。这给他带来了很大的触动，他意识到，如果一个人的生命能持续一段时间，他还可以做很多有价值的事情。

在那时，简•怀尔德的出现和他们的爱情给了霍金新的希望，霍金重拾信心。为我自己，为了两个人的未来，霍金决定努力获得博士学位，做一些宇宙学方面的工作。

每个人都出生了：丰富的学术成果

每个人都可能把霍金和黑洞联系在一起，同事们称他为上世纪7020世纪90年代以来在引力和黑洞领域做出突出贡献的众多学者之一，霍金取得了哪些学术成就？让我们一个一个来了解一下。

成果1：早期宇宙中有一个奇点

1965年，数学家罗杰•彭罗斯发现：假设一颗恒星在生命末期坍缩成黑洞，所以不管恒星的初始状态是什么，不管怎么崩，它会在黑洞中心坍缩成无限密度、曲率（弯曲度）无限时空奇点。彭罗斯提议“大自然讨厌赤裸裸的奇点”，因为奇点总是隐藏在黑洞的视界里。

看过霍金·彭罗斯的作品后，如果你认为在时间的开端有一个奇点，那么自然也不一定讨厌裸奇点，因为时间之初的奇点是无法隐藏的。讨论结束后，霍金和彭罗斯开始研究这个课题。1966年，他们联合出版了《奇点和时空几何》，并获得了亚当斯奖。

在他们研究这个课题之前，一些科学家还认为，如果我们根据理论回到膨胀的宇宙，那么时间开头的情况就很复杂了，粒子会互相碰撞，弹开，产生一个混乱的火球。1969年，两人发展了一种新的数学技能，用于分析点在时间和空间上的相关性，消除粒子间无序造成的混乱。他们的结论是，如果广义相对论是对宇宙的正确解释，然后在时间的起点有一个奇点。这个奇点与黑洞中心的奇点具有相同的性质，物质密度是无限的。

△（图片来自https://m.baidu.com/tc?from=bd_graph_mm_tc&srd=1&dict=20&src=http%3A%2F%2Fchannels.theinnovationenterprise.com%2Fauthors%2Fgeorge-hill&sec=1552273572&di=b580a021f2c8718a&is_baidu=0）

成果二：利用广义相对论来发现，黑洞的表面积不会减少

当时黑洞的概念还很模糊，将霍金的研究重点从奇点转移到黑洞视界周围，离黑洞最近“表面”发生了什么事。研究兴趣的变化有很多原因。

一方面，不管理论预测的奇点会发生什么，无法通过观察来检验，因为奇点隐藏在黑洞视界内部（当然，除了时间起点的奇点）。但是黑洞视界的事件，可以通过观察发现。另一方面，70年代的重要发展，来自比光波长更短的波长X射线，使得寻找黑洞候选体成为可能。在这些情况下，霍金和彭罗斯期待开发一种方法，来描述黑洞的视界。

1970年11月，露西是霍金和简的第二个孩子，刚刚出生。在某一晚上，霍金慢慢脱下衣服上床睡觉。突然间，他意识到彭罗斯和他在一起66证明奇点的技术发展于（提出了黑洞视界的一个实用的数学定义），有许多技术应该应用于黑洞。

那天晚上，他想到：如果物质或辐射落入黑洞，黑洞的表面积会增加。即使两个黑洞碰撞合并，新黑洞的表面积也比（或等于）最初两个黑洞的表面积之和。这便是黑洞的表面积不会减少。

黑洞（图片来自视觉中国）

成果3：利用广义相对论和量子力学来发现，黑洞

1973年早期，霍金和彭罗斯开始用热力学现象来模拟黑洞。同时，普林斯顿大学有个研究生，叫贝肯斯坦，不满意类比，相反，把这个想法应用到黑洞上。根据热力学第二定律，在孤立的系统中，系统总是自发地朝着混沌递增的方向变化，使得整个系统的熵值增加。熵也成为表征系统混沌程度的物态参数。这个年轻的研究生认为，黑洞视界的大小可能是黑洞熵的一个度量。

但是霍金当时很不开心。他认为，熵与温度直接相关，如果黑洞的表面积是熵的量度，那么黑洞的表面积一定也是温度的量度。但是如果黑洞有温度，那么热量肯定会从那里流向寒冷的宇宙，换句话说黑洞辐射能量。这关系到黑洞最基本的事实——任何东西包括电磁辐射，无法逃离黑洞——只是冲突。于是，霍金和他的合作者合写了一篇文章，1973发表于《数学物理交流》上，指出以上正是贝肯斯坦思想的致命伤。他们说，“事实上，黑洞的等效温度是绝对零度……黑洞不能发出任何辐射。”

但不过1年，霍金改变了主意。故事还得讲回去1971年，当时，霍金发表了一个理论，当我们回到时间的起点，你会发现一个特殊的时期，压力大到足以把任何大小的物质——即使只有几克——压入黑洞。换句话说，大爆炸可能产生许多甚至比原子核更小的东西 “微黑洞”，也许现在的宇宙中有很多这样的微型黑洞。

根据黑洞的标准，微型黑洞的质量非常小；但是，根据日常标准，微型黑洞的质量仍然很大，例如，质量大约是10亿吨（地球上一座山的质量）的黑洞，大约是质子的大小。研究这么小的物体，物理学家知道只有用量子理论，去探索其中的奥秘。

为了更好地解释黑洞的行为，为了和贝肯斯坦的观点竞争，当霍金思考这个问题时，我们必须把量子物理学和广义相对论结合起来，最终只是部分统一。实际上，早在1973年，苏联物理学家证明旋转的黑洞会抛出粒子。苏联物理学家的想法引起了霍金的兴趣，但是我没有说服他。他开始寻找一种精确的数学形式来描述它，最后他发现了，不旋转的黑洞也有同样的现象。

他的数学方程式的结论是，所有黑洞都会发射高能粒子，所以每个黑洞都有温度。这个温度，黑洞的表面积就是黑洞的熵，这与热力学预言完全一致。

具体思路是这样的，根据量子测不准原理，真空的每一个微小部分，实际上包含了相当多的能量。能量只能来自真空“借用”很短的时间（普朗克时间：1e-43秒），与时间测量固有的不确定性有关。粒子必须成对产生，在宇宙形成之前“注意”直到这种能量被借用，它们因相互作用而湮灭。

对于不旋转的黑洞，当一对虚粒子刚好在黑洞附近的视界之外产生时，在量子不确定性允许的极短时间内，其中一个粒子可以被黑洞捕获，这样另一个粒子就不会互相毁灭，所以他们会带着另一半能量逃跑。以这种方式辐射被称为“霍金辐射”。

这种能量来自黑洞的引力势能，黑洞的引力势能与其质量有关。在这样的活动之后，黑洞引力势能的损失，黑洞失去了部分质量。如果其他条件保持不变，黑洞会缩小。

切记，根据理论，这个过程很慢，即使是质子大小的微小黑洞，蒸发到爆炸的程度，这需要几十亿年的时间。太阳大小的黑洞是由于“霍金辐射”产生的温度大约是开尔文的万分之一；对于一个质子大小的黑洞来说，温度大约是1200易·凯尔文。所以当微黑洞逐渐失去质量变小的时候，最终天气变得越来越热，辐射的速度越来越快，最终会爆炸X甚至伽马射线。

当霍金发现这些理论并发表时，大约在1974年。当时这个结果是在开头，没有投票给《自然》杂志，相反，我把它带到了一个鲜为人知的、美国重力研究基金会主办的论文竞赛，论文的标题是《黑洞》。关于黑洞爆炸的正式论文——《黑洞爆炸》出现在1974年3月1日的《自然》。

还记得他的第二个成就吗，早在1971年，霍金就发现黑洞的表面积不会减少，黑洞不会缩小，黑洞和热力学之间的关系建立起来了。现在他发现了，加上量子理论，黑洞和热力学的联系得到了加强，但是也发现黑洞是霍金辐射造成的，必须收缩。

成果4：宇宙的开端——无限假设

如果只用广义相对论，可以推断出黑洞的表面积并没有减少；如果我们再次考虑量子理论，那么它不仅会缩小，最后会变成伽马射线消失。

如果只用广义相对论，可以推断宇宙一定是150亿年前，以无限的密度、体积是0奇点。因此，霍金对自己的下一个问题是：如果考虑到量子效应，所以这个宇宙开始奇点的预测，会有什么样的变化？

自从20自从20世纪70年代的量子革命以来，物理学家一直试图构建一个完整的、统一理论。但事实上，直到今天，还是没有。但是，霍金专注于一个特殊的问题——时间的起点，如何统一量子力学和广义相对论。

他在这个问题上取得了一些进展，但是在80在s开始时，提出了以下问题：时间有奇点吗？

1981年，霍金在梵蒂冈宣布了最新理论——应用理查德•费曼的路径积分解释了宇宙的创造。霍金试图用历史求和的方法来描述宇宙的整体演化。当然，目前这是不可能的，因为只有一个宇宙的历史，就包含了每个粒子从宇宙的开端到终点的各个路径。更何况，历史的总和，包括宇宙演化的每一条可能的路径，加在一起。

但是霍金发现，只要不使用边界条件，计算可以简化，没有必要考虑每个粒子在时空中的每一条路径，取而代之的是，历史总和的概念被应用于不同曲率的弯曲时空，发现广义相对论允许不同曲率的宇宙存在，和有一些弯曲的宇宙，可能比其他宇宙更有可能出现。

如何描述无边界条件？如果宇宙是一个像黑洞内部一样的封闭时空，所以根据标准的大爆炸理论，把宇宙想象成一个气球的表面，从大爆炸到大崩溃，相当于一个气球从一个点膨胀到一个大气球，然后它缩小，变成一个点，霍金观点的出发点和最后一点是“边缘”。他的无边界模型是希望没有边界的宇宙模型。仍然使用气球的表面作为类比，此时，气球的大小保持不变，球体上的点代表宇宙的某个阶段，把北极想象成宇宙的开端，继续向南走，气球的圆形横截面越来越大，意味着空间越来越大，宇宙正在膨胀；到达赤道后，再往南走，气球的圆形截面越来越小，直到到达南极，宇宙正在缩小，直到它倒下。

霍金还强调说，这个无边界条件只是猜测。然而，这种推测源于量子力学的思想和广义相对论的局部综合，给出一个宇宙本质的概念——宇宙可以以不同的曲率存在，但是宇宙的某些曲率更有可能存在。我们不知道答案。

成果5：“宇宙之外是什么”对…的初步探索

即使霍金提出了无边界宇宙模型，但是还是有很多人想了解宇宙“外面”是什么。1981年前后，其他宇宙学家和霍金开始关注一个问题：宇宙的一颗微小的种子，如何成长到今天这样一个扁平的宇宙？

宇宙的“外面”是什么（图片来自三体网）

他们提议，在早期宇宙的某个时刻，它经历了快速膨胀，即暴胀。在这种情况下，它可能表明，除了我们的宇宙，还有无限的宇宙，宇宙之间，被超密集的伪真空形成的密不透风的墙永远隔开。从某个角度来说，这个概念毫无意义。因为我们看不到其他宇宙，它们永远不会对我们的宇宙产生影响，那你为什么在乎呢？

但是，也有理论计算，事实上，创造宇宙的方式不止一种，在某些情况下，不同的宇宙会相互作用，如果有互动，也许我们可以试着找到观察证据。天文学是一门注重观察证据的科学。

在这个领域，霍金也很感兴趣，并提出了一些看法。这里就不赘述了。

除了科学研究，他还致力于科普

霍金为全球公众所熟知，主要原因之一是他在科普方面的突出成就。他积极开展科普工作，创作了《时间简史》、《黑洞、婴儿宇宙及其他》、《站在巨人的肩上》和《果壳中的宇宙》优秀的科普书籍，他还和女儿一起创作了一套乔治系列的科普书籍，对宇宙奥秘生动有趣的介绍。他的书有一个特点，公式少，故事多，但还是有点难以理解。

最近几年中，霍金还提出了一些我们认为是一些科幻小说的观点，他称之为地球200将在年内被摧毁，人类只有移民到其他星球才能生存。他的想法很奇怪，想想也不奇怪。只不过这个想法很特别，他还喜欢和人打赌，每个人都知道他和他的好朋友基普•索恩的赌注。

△图：2016年4月12日，霍金在演讲台上（图片来自http://app.myzaker.com/news/article.php?pk=5aa8bba61bc8e01a49000013）

总结

一个年轻人进来了2118岁那年，他得了重病，医生被告知他只能再活两年了，然而，在以后的生活中55年中，面对身体不适、语言交流不畅的现实，他运用他的智慧，或者独立地、或者和一个伙伴，数学证明如果广义相对论是对宇宙的正确解释，然后在时间的起点有一个奇点；基于广义相对论的发现，黑洞的表面积不会减少；基于广义相对论和量子力学的发现，霍金辐射，黑洞的表面积会减少；尝试综合广义相对论和量子力学方法提出无边界条件，也许宇宙可以以不同的曲率存在，但是概率不一样；参与了宇宙膨胀理论的研究。

除了科学研究，他还积极从事科普书籍的创作、科普讲座等，给公众带来了知识。为了促进人与人之间的交流，他也是各种科学和社会活动的常客。他的成功，没有朋友和家人的关心和爱，你就活不下去，更何况这离不开他自己的坚持和努力。他善于发现乐趣，发现希望。“如果生活中没有乐趣，那将是一场悲剧”。愿所有读者都能向他学习，除了看到天才，我仍然能看到那种努力和乐观。