从物理学家到科普大咖 让我们一路走进霍金的世界

出品：科普中国

造做：中国科学院上海天文台 左文文

监造：中国科学院计算机收集信息中心

今天，3月14日，英国出名物理学家史蒂芬·霍金家族的发言人称，霍金逝世，享年76岁。巧合的是，今天仍是爱因斯坦的生日。霍金的子女在一份声明中说：“我们亲爱的父亲今天逝世了，我们深感哀思”。声明称，霍金“是一个伟大的科学家，一个不服凡的人，他的研究和成就的影响将持续多年”。

图：2006年6月19日，霍金参不雅天坛（图片来源于收集）

还记得去年的3月23日，霍金开通新浪微博，发了两条微博动静便吸引粉丝几百万，可见他在中国的受存眷度之甚。关于良多读者来说，之所以对黑洞感兴趣，部门原因可能恰是霍金的科普做品。他在公家面前积极宣传物理理论，并用通俗的语言撰写了很多科普著做，相信各人都读过他的《时间简史》和《果壳中的宇宙》等册本。大学时，笔者虽读不懂《时间简史》，但深深地被书中的黑洞吸引，最初判断选择黑洞做为本身的研究标的目的，至今仍然很喜好。因而，笔者实要感激霍金赐与的启发，也借此时机，将笔者从书中领会到的霍金讲述出来，试图展示一个更全面的他，出格是他做出了如何的学术成就等。

生在战争年代

童年的霍金（图片来源于百度百科）

1942年1月8日，霍金降生在牛津，出生当天刚好是伽利略逝世300年忌日。1942年，在伦敦以及英国南部大部门地域，每夜都还会遭到德国空军的轰炸。其时，牛津与剑桥相比照较平安，因为据说，交战两边仿佛达成默契，若是德国不轰炸牛津与剑桥，英国就不轰炸海德堡和格丁根。也正因为如斯，霍金父母决定迁到牛津，产下霍金。

父母身世普通，但均结业于牛津

霍金的父母均为牛津大学结业生。父亲主修医学，母亲进修哲学、政治学和经济学。霍金有两个亲生妹妹菲莉帕（小1岁）和玛莉（小5岁）以及一个弟弟爱德华（小14岁）。他们都喜好听伶俐的音乐，看伶俐的书，罗素是他们配合崇敬的英国人。在他人眼里看来，他家是有点古里离奇的高级常识分子家庭。

霍金父母（图片来源于收集）

肄业时的他

1952年9月，霍金进入圣阿尔班斯中学。在校的表示能够总结为那些特点：用功、容貌离奇、动做鸠拙、伶俐、喜好与有才的小伙伴们分享各类兴趣。伴侣暗示，他的洞察力很强。

1957年7月，通俗班测验之后，学生需要确定选修科目。他也面对过我们或许碰到的问题：本身的兴趣与父母的期望之间存在不同，他本身希望进修数学和物理，因为那两门学科能够帮忙他摸索宇宙的奥妙；而他的父亲希望他能去学医，认为学数学欠好找工做。最初两边都做出让步，霍金报考牛津大学的大学学院，进修物理和化学。

1959年，年仅17岁的他进入牛津大学，并获取了奖学金。1962年，他进入剑桥大学读博。

图：牛津游艇俱乐部合照（图中拿手帕的为霍金）（图片来源于收集）

身体给他开了一个打趣

进入剑桥大学之后，霍金决定选择宇宙学做为本身的研究标的目的。在进修广义相对论时，他发现本身的数学根底不敷扎实，进修上面对着一些困难。没过多久，1963年，他发现本身四肢举动越来越不灵敏，后来被诊断有肌萎缩性脊髓侧索硬化症，医生预言可再活2年。

他遭到了致命的冲击，感应绝望，觉得本身的人生就像一场悲剧。“为什么那种工作会发作在本身身上？”他也曾如许问本身。住院的时候，他碰到一件工作，他临床的一个患白血病的男孩死了。那给他带来很大的触动，他意识到，若是本身的生命还能延续一段时间，他还能够做良多有价值的事。

阿谁时候，简•怀尔德的呈现和他们之间的恋爱给了霍金新的希望，霍金从头恢复自信心。为了本身，为了两小我的将来，霍金决定要勤奋拿到博士学位，在宇宙学方面做一些工做。

学术成就

各人可能城市把霍金和黑洞联络起来，同业们称他是上世纪70年代以来在引力和黑洞范畴做出出色奉献的浩瀚学者之一，事实霍金做出了哪些学术成就呢？让我们逐个领会下。

功效1：宇宙早期有一个奇点

1965年，数学家罗杰•彭罗斯发现：假设恒星在生命末期会坍缩成黑洞，那么不管恒星本来情况为何，不管它如何坍缩，它会在黑洞中心坍缩成一个密度无限大、曲率（弯曲水平）无限大的时空奇点。彭罗斯提出“天然界憎恨裸奇异点”，因为奇点老是隐藏在黑洞的视界中。

霍金看到彭罗斯的工做之后，想到若是时间起点存在一个奇点，那么天然界就纷歧定憎恨裸奇点了，因为时间起点处的奇点不克不及被隐藏起来。讨论之后，霍金与彭罗斯二人便起头研究那一课题。1966年，他们结合颁发了《奇点与时空几何》，并获得了亚当斯奖。

在他们研究该课题之前，也有一些科学家认为，若是按照理论来回溯扩张的宇宙，那么时间起点处情况很复杂，粒子将彼此碰碰而弹开，产生一个混沌的火球。1969年，二人开展了一种新的数学技巧，用来阐发时空中各点的彼此联系关系，消弭了粒子间紊乱感化所引起的混沌。他们的结论是，若是广义相对论是对宇宙的准确阐述，那么在时间的起点处存在一个奇点。那一奇点同黑洞中心的奇点具有不异的性量，物量密度无限大。

（图片来源于收集）

功效二：运用广义相对论发现，黑洞外表积不减。

在黑洞的现实概念还很模糊的年代，霍金将研究的存眷点从奇点转移到黑洞视界四周，即最靠近黑洞“外表”所发作的事务。研究兴趣发作改动有多个原因。

一方面，无论理论预言奇点处发作什么，都不成能用不雅测来查验，因为奇点被隐藏在黑洞视界内部（当然处于时间起点处的奇点除外）。但是黑洞视界处的事务，将可能被不雅测探测到。另一方面，70年代重要的开展，是来自于比光学波长更短的X射线，使得黑洞候选体的发现不无可能。在那些布景下，霍金与彭罗斯等待开展一种体例，来描述黑洞的视界。

1970年11月，霍金与简的第二个孩子露西刚出生不久。一天晚上，霍金渐渐地脱衣服筹办睡觉。突然间，他意识到彭罗斯和他在66年开展的证明奇点的技巧（提出了一个黑洞视界的适用数学定义），有许多技巧应该可应用于黑洞。

那天晚上，他想到：若是有物量或辐射落入黑洞，黑洞的外表积会增加。即便是两个黑洞互相碰碰而合并在一路，新的黑洞的外表积也大于（或等于）原先两个黑洞的外表积之和。那即是黑洞外表积不减。

黑洞（图片来源于视觉中国）

功效3：运用广义相对论和量子力学发现，黑洞不黑。

1973年早期，霍金和彭罗斯起头用热力学现象来类比黑洞。同时，普林斯顿大学有位研究生贝肯斯坦，已不满足于仅做类比，而是将该设法应用于黑洞中。按照热力学第二定律，在孤立系统中，系统老是自觉地向紊乱水平增大的标的目的变革，使得整个系统的熵值增大。熵也成为了表征系统紊乱水平的物量形态参量。那个年轻的研究生认为，黑洞的视界大小可能恰是黑洞熵的量度。

但其时霍金很不快乐。他认为，熵与温度有间接的联系关系，若是黑洞外表积的大小是熵的量度，那么黑洞外表积也必需是温度的量度。但若是一个黑洞有温度，那么热量必然会从它流向冰冷的宇宙，也就是说黑洞会辐射能量。那与黑洞的最根本事实——包罗电磁辐射在内的任何工具，都不克不及从黑洞逃逸——刚好相抵触。于是，霍金与合做者合写了一篇文章，1973年颁发在《数学物理通信》上，指出上述那一点刚好是贝肯斯坦的设法的致命伤。他们说，“事实上黑洞的等效温度是绝对零度……黑洞不成能发射任何辐射。”

但不外1年，霍金就改动了主意。故事还得说回1971年，那时霍金颁发的理论认为，当我们向时间的起始回溯时，就会发现一段特殊的期间，压力大到足以将任何大小的物量——即便只要几克——压成黑洞。也就是说，大爆炸可能会产生良多以至比原子核还要小的 “微黑洞”，也许目前的宇宙中还有良多那类微黑洞。

根据黑洞的尺度，微黑洞的量量很小；但是，根据日常的尺度，微黑洞的量量仍然很大，例如，量量大约为10亿吨（地球上一座山的量量）的黑洞，大小大约只要量子那样大。要研究那么小的物体，物理学家晓得只要利用量子理论，才气摸索此中的奇妙。

为了更好地解释黑洞的行为，也为了和贝肯斯坦的设法决一胜负，霍金考虑问题时，必需要将量子物理与广义相对论连系起来，最末也只是部分地同一起来。

其实早在1973年，苏联物理学家证明扭转黑洞会抛出粒子。苏联物理学家的设法引起了霍金的兴趣，却没有说服他。他起头动手寻找切确的数学形式来描述，最初他发现，非扭转的黑洞也有不异的现象。

他的数学方程推出的结论是，所有的黑洞城市发射高能粒子，因而每个黑洞都有温度。那个温度，与按照黑洞外表积是黑洞熵所做的热力学预测完全一致。

详细的设法是如许的，按照量子的不确定性原理，实空中的每个细小部门，现实上包罗了相当多的能量。能量只能从实空“借用”非常短暂的时间（普朗克时间：1e-43秒），与时间丈量自己所固有的不确定性有关。粒子必需成对产生，并在宇宙还没来得及“留意”到那些能量被借走之前，就经由彼此间的感化而湮灭。

关于一个非扭转黑洞，当一对虚粒子刚好在接近黑洞的视界外部产生时，在量子不确定性允许的极短时间内，此中一个粒子能够被黑洞捕捉，如许另一个粒子就没有同归于尽的对象，因而就会照顾另一半的能量逃逸。那种体例的辐射被名为“霍金辐射”。

那些能量来自于黑洞的重力势能，黑洞的重力势能和量量有关。颠末如许的活动，黑洞的重力势能丧失，黑洞失去部门量量。若是其他前提稳定，黑洞会不竭收缩。

切记，按照理论，那一过程很慢，即便一个量子大小的微黑洞，蒸发到它将爆炸的时刻，也需要数十亿年之久。与太阳大小相当的黑洞因为“霍金辐射”产生的温度大约是万万分之一开尔文；而关于与量子大小相当的黑洞产生的温度大约在1200亿开尔文。因而当微黑洞垂垂失去量量而变小，最末越来越热，辐射能量的速度越来越快，最初会爆炸产生X射线以至伽马射线。

霍金发现那些理论并颁发时，大约在1974年。其时那一成果在一起头，并没有投至《天然》杂志，而是拿去参与了一个名气不大、由美国重力研究基金会主办的论文竞赛，论文题目是《黑洞不黑》。关于黑洞爆炸的正式论文——《黑洞爆炸吗》呈现在1974年3月1日的《天然》。

还记得他的第二项成就吗，早在1971年，霍金就发现黑洞外表积不减，黑洞不会收缩，确立了黑洞与热力学之间的联系关系。如今他发现，加上量子理论，黑洞与热力学之间的联系关系愈加强了，但也发现黑洞会因霍金辐射，必需收缩。

功效4：宇宙的起始——无鸿沟假设

若是只用广义相对论，能够导出黑洞的外表积不减小；若是再考虑量子理论，那么可能不单能缩小，最初还将化成伽马射线而消逝。

若是只用广义相对论，则可导出宇宙肯定在150亿年前，由一个密度无限大、而体积为0的奇点而产生。因而，霍金向本身提出的下一个问题是：若是将量子效应考虑进去，那么那个宇宙起始奇点的预测，将会有什么样的变革呢？

自从20年代量子革命以来，物理学家就不断试图勤奋构建一个完好的、同一的理论。但事实上，曲至今日，仍然没有。但是，霍金集中于一个特殊的难题——时间的起点，量子力学与广义相对论若何同一起来。

他在那个问题上获得了必然的停顿，但是在80年代初又提出了如下的问题：时间事实有没有奇点？

1981年，霍金在梵蒂冈公布最新开展的理论——应用理查德•费曼的途径积分来解释宇宙的创生。霍金试牟利用汗青总和法来描述宇宙的整体演化。目前当然那是不成能的，因为仅仅一个宇宙的汗青，就包罗了每个粒子从宇宙的起始到起点的各个途径。更何况，汗青的总和包罗每一种可能的宇宙演化途径都加在一路。

但是霍金发现，只要操纵无鸿沟前提，就能简化计算，不需要考虑每个粒子在时空中的每条途径，而是将汗青总和的设法运用到具有差别曲率的弯曲时空，发现广义相对论允许各类差别曲率的宇宙存在，而具有某些曲率的宇宙，可能比其他宇宙呈现的几率更大。

若何描述无鸿沟前提呢？若是宇宙像黑洞内部一样是个封锁的时空，那么根据尺度的大爆炸理论，我们把宇宙想象成一个气球的外表，从宇宙大爆炸到大崩坠，相当于气球从一个点充气酿成一个大气球，又接着放气而酿成了一个点，起始的点和最初的点在霍金看来就是“边沿”。他的无鸿沟模子就是希望没有鸿沟的宇宙模子。仍然用气球的外表来类比，那时气球的大小稳定，球面上的点暗示宇宙的某个阶段，把北顶点想象成宇宙的起点，不竭向南走，气球的圆截面越来越大，暗示宇宙空间越来越大，宇宙在膨胀；跟着抵达赤道之后，再向南走，气球的圆截面越来越小，曲至抵达南顶点，宇宙在收缩，曲至崩坠。

霍金也强调，那种无鸿沟前提只是一种推测。但那种推测源于量子力学的思绪和广义相对论理论的部分综合，对宇宙的素质给出了一种设法——宇宙能够差别曲率存在，但某些曲率的宇宙存在的概率更大些。我们不晓得谜底。

功效5：“宇宙之外是什么”的初步摸索

即便霍金提出了一个无鸿沟的宇宙模子，但仍是有良多人想晓得宇宙的“外面”是什么。1981年前后，其他宇宙学家和霍金起头存眷一个问题：一个细小的宇宙种子，如何生长为现在如斯平展的宇宙？

宇宙的“外面”是什么（图片来源于收集）

他们提出，在宇宙早期的某个时刻履历了急速的膨胀，即暴胀。在那种剧情下，就可能表白，除了我们的宇宙之外还存在着无限多个宇宙，各个宇宙之间，都被超致密伪实空构成的无法穿透的墙永久朋分开来。从某个角度来看，那种概念毫无意义。因为既然我们无法看到其它宇宙，它们也绝不会对我们的宇宙产生感化，那么为何还要在乎呢？

然而也有理论计算发现，其实形成宇宙的体例不行一种，并且在某些剧情中，差别的宇宙会彼此感化，若是有彼此感化，我们也许还能试着找下不雅测证据。天文学是讲究不雅测证据的科学。

在那一范畴，霍金也是很感兴趣，并提出一些观点。细节就不在那里细述了。

科普成就

霍金为全球公家所知，一个次要原因是他卓越的科普成就。他积极开展科普，创做了《时间简史》、《黑洞、婴儿宇宙及其他》、《在巨人的肩膀上》和《果壳中的宇宙》等优良科普册本，还和他的女儿一路创做了一套乔治系列的科普书，生动有趣地介绍了宇宙的奥妙。他的书有个特点，公式少，故事多，不外仍是有点难懂。

近些年来，霍金也提出了一些我们认为有些科幻的设法，如他称地球200年内会扑灭，人类只能移民外星球才气保存。他的设法奇异，想来也是不奇异的。除了设法出格，他还喜好和人打赌，各人熟知的工作是他和他的老友基普•索恩的打赌。

图：2016年4月12日，霍金在演讲的台上（图片来源于收集）

总结

一个青年人在21岁时便身患沉痾，被医生告知只能再活两年，然而在人生后来的55年中，面临身体不适、语言沟通不顺畅的现实，他运用聪慧，或独登时、或与合做伙伴一路，用数学体例证明若是广义相对论是对宇宙的准确阐述，那么在时间的起点处存在一个奇点；基于广义相对论发现，黑洞外表积不减；基于广义相对论和量子力学发现，霍金辐射，黑洞外表积会减；初步测验考试综合广义相对论和量子力学办法提出无鸿沟前提，发现也许宇宙能以差别曲率存在，但概率差别；参与了对宇宙暴胀理论的研究。

处置科研之余，他也积极处置科普册本创做、科普演讲等，为公家带去了常识。为了促进人与人之间的交换，他也是各类科学和社会活动的常客。

他的胜利，离不开身边伴侣家人的关亲爱护，更离不开他本身的对峙和勤奋吧。他擅长发现乐趣，发现希望。“若是生活没有了乐趣，那将是一场悲剧”。希望霍金一路走好，也祝所有的读者能从他的身上，除了看到天才，还能看到那份勤奋和乐不雅。

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