霍金逝世一周年：科学巨人生命历程

霍金于2018年3月14日去世，全世界哀悼这位超级巨星的去世。作为最伟大的现代物理学家之一，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，了解这个科学巨人的生命历程。

照片:2006年6月19日，霍金参观了天坛(照片来自http://app.myzaker.com/news/article.php? PK = 5a A8 BBA 61 bc8 e01a 49000013)

我还记得2017年3月23日，霍金开通新浪微博，并发送两条信息吸引了数百万粉丝，这表明他在中国受到了多少关注。对许多读者来说，他们对黑洞感兴趣的部分原因可能是霍金的科普作品。他积极公开宣传物理学理论，用通俗语言写了许多科普作品。我相信每个人都读过他的书，比如《时间简史》和《果壳中的宇宙》。我上大学时，虽然不懂《时间简史》，但我被书中的黑洞深深吸引，最终决定选择黑洞作为我的研究方向，我仍然非常喜欢它。因此，我真的要感谢霍金的灵感。我也借此机会告诉霍金我从书中学到了什么，并试图向他展示一个更全面的画面，尤其是他取得了什么样的学术成就。

出生于战争年代，父母都是知识分子。

童年的霍金(百度百科图片)

霍金于1942年1月8日出生于牛津，距伽利略去世仅300年。1942年，德国空军每晚轰炸伦敦和英格兰南部大部分地区。当时，牛津和剑桥相对安全，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，英国就不会轰炸海德堡和盖廷根。正因为如此，霍金的父母决定搬到牛津，生下霍金。

霍金的父母都是牛津大学毕业生。我父亲主修医学，而我母亲主修哲学、政治学和经济学。霍金有两个生身姐妹菲利帕(小1岁)和玛丽(小5岁)以及一个弟弟爱德华(小14岁)。他们都喜欢听时髦的音乐和读时髦的书。拉塞尔是一个英国人，他们一起崇拜他。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(来自http://m.hexun.com/book/20109-15/168471309.html的图片)

他在学校成绩很好，但是他的身体开了他一个玩笑。

1952年9月，霍金进入圣奥尔班高中。学校的表现可以概括为这些特点:勤奋、古怪、笨拙、聪明，喜欢与有才华的小伙伴分享各种兴趣。朋友们说他的洞察力很强。

1957年7月，在普通班级考试之后，学生被要求决定选修科目。他还面临着一些我们可能会遇到的问题:他的兴趣和他父母的期望之间存在差异。他希望学习数学和物理，因为这两门学科可以帮助他探索宇宙的奥秘。然而，他的父亲希望他能学医，并认为学习数学并不容易找到工作。最终，双方都做出了让步。霍金向牛津大学的大学学院申请学习物理和化学。

1959年，当他只有17岁的时候，他进入了牛津大学并获得了奖学金。1962年，他进入剑桥大学留学。

照片:牛津游艇俱乐部照片(照片中的霍金带着手帕)(照片来自https://zhuanlan.zhihu.com/p/34553201? _选民_页面=真实)

进入剑桥大学后，霍金决定选择宇宙学作为他的研究方向。在研究广义相对论时，他发现自己的数学基础不够扎实，在学习上面临一些困难。不久，在1963年，他发现他的手和脚变得越来越不灵活。后来，他被诊断患有肌萎缩性侧索硬化症，医生预测他可以再活两年。

他受到致命打击，感到绝望，他的生活就像一场悲剧。“为什么这发生在我身上？”他曾经问过自己同样的问题。当他住院时，他遇到了一件事:一个患白血病的男孩死在了他的诊所里。这深深地触动了他，他意识到如果他的生命能持续很长时间，他就能做很多有价值的事情。

那时，珍·怀尔德的出现和他们的爱给了霍金新的希望，霍金重新获得了信心。为了自己和两人的未来，霍金决定努力获得博士学位，并从事一些宇宙学方面的工作。

每个人出生:丰富的学术成就

每个人都可能把霍金和黑洞联系在一起。同事们称他是自20世纪70年代以来对重力和黑洞做出杰出贡献的众多学者之一。霍金取得了什么学术成就？让我们一个一个来理解。

结果1:早期宇宙中有一个奇点。

1965年，数学家罗杰·彭罗斯发现，如果一颗恒星在其生命结束时坍缩成一个黑洞，它将坍缩成一个时空奇点，在黑洞的中心具有无限的密度和无限的曲率(曲率的程度)，不管该恒星的原始状态如何，也不管它是如何坍缩的。彭罗斯提出“自然厌恶裸露的奇点”，因为奇点总是隐藏在黑洞的视界中。

霍金看到了彭罗斯的工作，认为如果在时间的开始有一个奇点，那么自然就不一定讨厌裸露的奇点，因为在时间的开始奇点是无法隐藏的。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。

在研究这个课题之前，一些科学家还认为，如果根据理论追溯膨胀的宇宙，时间起点的情况会非常复杂，粒子会相互碰撞并弹开，产生一个混乱的火球。1969年，两人开发了一种新的数学技术来分析时间和空间中不同点的相关性，消除了由粒子无序引起的混乱。他们的结论是，如果广义相对论是对宇宙的正确解释，那么在时间的开始就有一个奇点。这个奇点与黑洞中心的奇点具有相同的性质，物质的密度是无限的。

(图片来自https://m.baidu.com/tc?，来自于= BD _ graph _ mm _ TC & SRD = 1 & dict = 20 & src = http % 3A % 2F % 2Fchannels . innovationenterprise . com % 2Fauthors % 2Fgeorge-hill & sec = 1552273572 & di = b 580 a 021 F2 c 8718 a & is _ Baidu = 0)

结果2:利用广义相对论，我们发现黑洞的表面积并没有减少

在一个黑洞的实际概念仍然模糊不清的时代，霍金把他的研究重点从奇点转移到黑洞周围的事件，即最接近黑洞“表面”的事件。研究兴趣的变化有几个原因。

一方面，无论理论预测的奇点发生了什么，都不可能通过观察来检验它，因为奇点隐藏在黑洞的视界之内(当然，除了时间开始时的奇点)。但是黑洞视界的事件可能会被观测到。另一方面，20世纪70年代的重要发展来自比光学波长更短的X射线，这使得发现黑洞候选者成为可能。在这种情况下，霍金和彭罗斯期望开发出一种描述黑洞视界的方法。

1970年11月，霍金和简的第二个孩子露西刚刚出生。一天晚上，霍金慢慢脱下衣服，准备睡觉。突然间，他意识到彭罗斯和他在66年发展的证明奇点的技术(他提出了黑洞视界的实用数学定义)有许多应用于黑洞的技术。

那天晚上，他想:如果任何物质或辐射落入黑洞，黑洞的表面积将会增加。即使两个黑洞相互碰撞并融合在一起，新黑洞的表面积也大于(或等于)原来两个黑洞表面积的总和。这就是黑洞表面积没有减少。

黑洞(来自视觉中国的图像)

结果3:使用广义相对论和量子力学，发现黑洞不是黑色的

1973年初，霍金和彭罗斯开始用热力学现象来比较黑洞。与此同时，普林斯顿大学的研究生贝肯斯坦不再满足于类比，而是将这一想法应用于黑洞。根据热力学第二定律，在一个孤立的系统中，系统总是自发地向混沌增加的方向变化，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质状态参数。这个年轻的研究生认为黑洞视界的大小可能是衡量黑洞熵的一个尺度。

但是霍金当时非常不开心。他认为熵与温度直接相关。如果黑洞表面积的大小是熵的量度，那么黑洞表面积也必须是温度的量度。但是如果黑洞有温度，那么热量肯定会从它流向寒冷的宇宙，也就是说，黑洞会辐射能量。这与黑洞最基本的事实相冲突——包括电磁辐射在内的任何东西都不能从黑洞中逃逸。因此，霍金和他的合著者在1973年的《数学物理杂志》上发表了一篇文章，指出上述观点正是贝肯斯坦思想的致命缺陷。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。”

但是不到一年，霍金改变了主意。这个故事可以追溯到1971年，当时霍金发表了他的理论，当我们回顾时间的开始，我们会发现一个特殊的时期，当压力大到足以将任何大小的物质——即使只有几克——挤压成黑洞。也就是说，大爆炸可能产生许多比原子核还要小的“微型黑洞”。也许在当前的宇宙中仍然有许多这样的微型黑洞。

根据黑洞的标准，微型黑洞的质量非常小。然而，根据日常标准，微型黑洞的质量仍然非常大。例如，一个质量约为10亿吨(地球上一座山的质量)的黑洞只有质子大小。为了研究这样一个小物体，物理学家知道，只有利用量子理论，我们才能探索它的秘密。

为了更好地解释黑洞的行为和反对贝肯斯坦的观点，霍金在考虑问题时必须将量子物理学和广义相对论结合起来，最后只能部分地统一它们。事实上，早在1973年，苏联物理学家就证明了旋转黑洞可以抛出粒子。苏联物理学家的想法引起了霍金的兴趣，但没有说服他。他开始寻找精确的数学形式来描述，最后发现非旋转黑洞也有同样的现象。

他的数学方程得出结论，所有的黑洞都发射高能粒子，所以每个黑洞都有一个温度。这个温度与基于黑洞表面积是黑洞熵的热力学预测完全一致。

具体的想法是这样的:根据量子不确定性原理，真空中的每一个微小部分实际上都包含了相当多的能量。能量只能在很短的时间内从真空中“借用”(普朗克时间:1e-43秒)，这与时间测量的固有不确定性有关。在宇宙能够“注意到”这些能量被借用之前，粒子必须成对产生，并通过相互作用被消灭。

对于非旋转黑洞，当在黑洞视界之外产生一对虚拟粒子时，其中一个粒子可以在量子不确定性允许的非常短的时间内被黑洞捕获，因此另一个粒子没有相互破坏的对象，因此将携带另一半能量逃逸。这种辐射叫做霍金辐射。

这些能量来自黑洞的重力势能，它与黑洞的质量有关。在这些活动之后，黑洞的重力势能消失了，黑洞失去了部分质量。如果其他条件保持不变，黑洞将持续收缩。

记住，根据理论，这个过程非常缓慢，即使一个质子大小的微型黑洞蒸发到爆炸的时刻，也需要数十亿年。由于霍金辐射，一个和太阳差不多大的黑洞的温度大约是1/10万开尔文。对于质子大小的黑洞，温度约为1200亿开尔文。因此，当微型黑洞逐渐失去质量变小，最终变得越来越热，辐射能的速度变得越来越快，最后爆炸产生X射线甚至伽马射线。

霍金发现了这些理论，并在1974年左右发表了它们。当时，这个结果最初并没有出现在《自然》杂志上，而是参加了一个鲜为人知的论文竞赛，由美国重力研究基金会赞助，题目是“黑洞不是黑的”。关于黑洞爆炸的官方文件——“黑洞爆炸？”出现在1974年3月1日的《自然》杂志上。

你还记得他的第二个成就吗？早在1971年，霍金就发现黑洞在不减小表面积的情况下不会收缩，从而建立了黑洞与热力学之间的关系。现在他发现黑洞和热力学之间的联系已经被量子理论加强了，但是他也发现黑洞必须由于霍金辐射而收缩。

结果4:宇宙的开始——无限假说

如果只使用广义相对论，可以推断黑洞的表面积不会减少。如果我们重新考虑量子理论，我们不仅会缩小它，还会把它变成伽马射线并消失。

如果只使用广义相对论，可以推断宇宙一定是150亿年前由一个密度无限、体积为零的奇点创造的。因此，霍金对自己的下一个问题是:如果将量子效应考虑在内，对宇宙开始奇点的预测将会发生什么？

自20世纪20年代的量子革命以来，物理学家一直试图构建一个完整统一的理论。但事实上，直到今天，仍然没有这样的事情。然而，霍金关注的是一个特殊的问题——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，但在20世纪80年代初，他提出了以下问题:时间上有什么奇点吗？

1981年，霍金在梵蒂冈宣布了最新的发展理论——应用理查德·费曼的路径积分来解释宇宙的创造。霍金试图用历史总和法来描述宇宙的整体演化。当然，目前这是不可能的，因为只有宇宙的历史包含了每个粒子从宇宙开始到结束的路径。此外，历史的总和包括了宇宙的每一条可能的进化路径。

然而，霍金发现，只要不使用边界条件，计算就可以简化，而无需考虑每个粒子在空间和时间上的每条路径。相反，历史总和的概念被应用于不同曲率的弯曲空间和时间。他发现广义相对论允许具有不同曲率的宇宙存在，并且具有特定曲率的宇宙比其他宇宙更有可能出现。

你如何描述无国界的情况？如果宇宙是一个封闭的时空，就像黑洞的内部一样，那么根据标准的大爆炸理论，我们把宇宙想象成气球的表面。从大爆炸到大崩溃，它相当于气球从一个点膨胀到一个大气球，然后收缩成为一个点。在霍金看来，起点和终点是“边缘”。他的无边界模型是一个希望没有边界的宇宙模型。这个比喻仍然适用于气球的表面。这时，气球的大小没有变化。球体上的点代表宇宙的某个阶段。北极被想象成宇宙的起点。随着气球继续向南移动，气球的圆形横截面变得越来越大，表明宇宙正在膨胀。到达赤道并向南飞行后，气球的圆形横截面变得越来越小，直到到达南极，宇宙收缩直至崩溃。

霍金还强调，这种无边界的情况只是一种猜测。然而，这种推测来源于量子力学和广义相对论思想的局部综合，并给出了宇宙本质的概念——宇宙可以以不同的曲率存在，但是具有特定曲率的宇宙存在的概率更高。我们不知道答案。

结果5:对“宇宙之外是什么”的初步探索

尽管霍金提出了一个无边界的宇宙模型，许多人仍然想知道宇宙的“外部”是什么。大约在1981年，其他宇宙学家和霍金开始关注一个问题:今天，宇宙的一颗微小种子是如何成长为如此扁平的宇宙的？

宇宙的“外部”是什么(图片来自三体网)

他们认为宇宙在早期经历了一次快速膨胀，即膨胀。在这种情况下，有可能表明除了我们的宇宙，还有无限多个宇宙。每一个宇宙都被一堵密不透风的墙永远隔开，这堵墙是由超密的伪真空形成的。从某种角度来看，这个概念毫无意义。因为既然我们看不到其他宇宙，它们就永远不会对我们的宇宙有任何影响，所以为什么要关心呢？

然而，一些理论计算发现，实际上创造宇宙的方法不止一种，在某些情况下，不同的宇宙会相互作用。如果有互动，我们也可以尝试寻找观察证据。天文学是一门注重观察证据的科学。

霍金对这个领域也很感兴趣，并提出了一些看法。这里不详述细节。

除了科学研究，他还致力于流行科学。

霍金为世界公众所知，主要原因之一是他在科学普及方面的杰出成就。他积极开展科普工作，创作了《时间简史》、《黑洞、婴儿宇宙等》、《巨人的肩膀》、《果壳中的宇宙》等优秀科普书籍。他还和女儿一起创作了一系列乔治写的科普书籍，生动有趣地介绍了宇宙的奥秘。他的书具有公式少、故事多的特点，但还是有点难以理解。

近年来，霍金也提出了一些我们认为是科幻小说的想法。例如，他说地球将在200年后被毁灭，人类只有移居到其他星球才能生存。他的想法很奇怪，想一想也不奇怪。除了他的特殊想法，他还喜欢和别人打赌。众所周知的事情是他和他的好朋友基普霍恩打赌。

照片:2016年4月12日，霍金在舞台上讲话(照片来自http://app.myzaker.com/news/article.php? PK = 5a A8 BBA 61 bc8 e01a 49000013)

摘要

一名21岁的年轻人身患重病，医生告诉他只能再活两年。然而，在他晚年的55年里，面对身体不适和语言交流不畅的现实，他用自己的智慧，或者独立地，或者和他的伙伴们一起，从数学上证明了如果广义相对论是对宇宙的正确解释，那么在时间的开始就有一个奇点。根据广义相对论，我们发现黑洞的表面积并没有减少。根据广义相对论和量子力学，霍金辐射减少了黑洞的表面积。首次尝试综合广义相对论和量子力学方法来提出无边界条件。人们发现，也许宇宙可以以不同的曲率存在，但概率不同。他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创作和科普讲座，将知识带给大众。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。他的成功离不开身边朋友和家人的关心和爱，更离不开他自己的坚持和努力。他善于发现乐趣和希望。"如果生活没有乐趣，那将是一场悲剧。"我希望所有的读者不仅能从他身上看到天才，还能看到勤奋和乐观。