Sheldon漫画 | 三分钟告诉你霍金到底有多牛！
2018年3月14日，斯蒂芬·霍金去世，享年76岁。他是一位杰出的理论物理学家，一位世界各地的科普作家，一位令人惊讶的意见领袖。同时，他也是一个患有罕见疾病的病人，一个在20多岁时被医生“判处死刑”的传奇人物，乐观地生活了50多年。
对大多数人来说，霍金更像是一个纯粹的文化符号——每个人都知道他的名字，但很少有人真正理解他的所作所为。事实上，霍金一生中做了大量的科学研究，可以用一句话来概括:“如何触摸爱因斯坦正在寻找的大象”。其中，有两个贡献非常著名，一个是证明“大爆炸始于奇点”，另一个是证明“黑洞有温度”。
宇宙是如何形成的？20世纪60年代，霍金面临两个选择，要么研究微观粒子物理学，要么研究宏观宇宙学。
霍金随后选择了后者，很快他就专注于宇宙学中的奇点问题。这个问题可以追溯到1915年爱因斯坦的广义相对论，该理论描述了弯曲时空的动力学。在广义相对论中，宇宙中的时空就像一块“桌布”，如果不考虑维度差异，它会无限延伸。如果我们在桌布上建立时间和空间的坐标系，就像在地球上画经度和纬度一样，我们会看到许多正方形网格，每个网格代表一个时间和空间单位。
如果宇宙不是空的，但有物质，那么物质产生的引力场会扭曲晶格。引力场越强，扭曲就越严重。1965年，数学家罗杰·彭罗斯证明了当引力场的强度超过某个极限时，例如，当一颗大质量恒星坍缩成一个黑洞时，黑洞中心的时空网格可能会极度扭曲，形成一个“奇点”如果你把网格的一组平行线的方向看作时间，另一组平行线的方向看作空间，用箭头标出时间，表示时间流逝的方向，我们会发现奇点就像一个弹簧，时间和空间的网格在时间箭头的引导下不断地流出。或者奇点就像浴缸里的漏洞，时空网格被时间箭头驱动流入。
霍金，一个像北极一样的奇点，在阅读了彭罗斯的作品后，计划将这一理论应用于宇宙学。
基于当时的理论研究和天文观测，人们知道宇宙是从“大爆炸”中诞生的。1970年，霍金和彭罗斯共同发表了一篇论文，提出如果广义相对论(以及其他一些数学条件)是正确的，那么宇宙中的大爆炸必须从一个奇点开始。
霍金曾在一次公开演讲中对这一新颖理论进行形象类比。想象一下，地球的北极被经度和纬度线覆盖着。地球上的每个点都有明确的经度和纬度，每个点都有四个方向:东、西、北和南。然而，在北极的极点，不仅没有明确的经度，也没有东西方向和北，所有的方向都指向南方。这很像大爆炸开始时的奇点——没有过去，只有未来，就像北极只有南没有北一样。如果有人想问这个理论在大爆炸之前发生了什么，那么我们只能回答大爆炸是最初的开始，没有“大爆炸之前”这样的事情。
这项研究被称为“彭罗斯-霍金奇点定理”。它没有描述宇宙的起源，而是揭示了广义相对论的一个特征。奇点定理不能回答我们的宇宙是否始于奇点，因为它需要从一开始就假设广义相对论是正确的，并且适用于宇宙开始时的极端条件。然而，没过多久，霍金利用另一个更重要的发现推翻了我们对宇宙和广义相对论的理解。
黑洞也有温度。在广义相对论中，黑洞是极端天体。一旦任何物质，包括光，进入它的引力范围，它就无法逃脱。根据当时的物理学家，黑洞的温度应该是绝对零度。因为任何物体，只要温度高于绝对零度，就会不断地向外辐射。广义相对论告诉我们，黑洞甚至能吞噬光，它们怎么能发出辐射呢？
霍金起初是这样认为的。但是在1972年，著名黑洞专家惠勒的一个弟子和普林斯顿大学的一个博士生贝肯斯坦提出了一个猜想，黑洞和普通物质一样，也有热力学熵，并且熵与其表面积成正比。如果贝肯斯坦的结论是正确的，那么根据热力学知识，具有热力学熵的黑洞必须有温度，而具有温度的黑洞必须向外辐射。这个结论在当时太超前了，霍金自己都不容易接受。(可能贝肯斯坦的结论的证伪态度还没有得到证实。结果，霍金在1974年发现贝肯斯坦可能是对的。黑洞确实发出辐射。黑洞有温度。
霍金和他的合作者在1974年至1976年的一系列工作中指出，为了知道黑洞是否有温度，人们不仅要考虑广义相对论，还要考虑弯曲时空中的量子力学效应。我们知道，自从爱因斯坦提出广义相对论以来，他就一直着迷于它，希望把描述宏观世界的广义相对论和描述微观世界的量子力学统一起来。但是直到爱因斯坦去世，他才瞥见大象的“统一理论”。霍金的研究是一场及时雨，它为正在寻找“统一理论”的科学家找到了突破。从那时起，理论物理学家不仅看到了大象的影子，而且还模糊地感觉到了大象的轮廓，从而使我们对“统一理论”有了更具体的理解。
霍金的证明是对统一理论的突破，涉及量子场论和广义相对论的复杂公式。让我们做一个流行的类比。霍金指出，黑洞表面附近的“真空”不同于无限远处平面时空的“真空”，就像地球的一个时区和另一个时区有时差一样。
通过霍金和其他人的计算，我们知道，在无限远的观察者看来(因为偶然的差异)，黑洞附近的“真空”不是真正的真空，而是不断产生正负粒子对的“热汤”(与时差不同，这种关系不能反过来理解)。黑洞煮出来的热汤有一定的温度，并不断发出热辐射。这种辐射称为霍金辐射。如果黑洞的辐射速率大于黑洞吸收周围物质的速率，那么黑洞的质量和表面积将随着时间而减少，这一过程称为黑洞蒸发。霍金辐射极其微弱。尽管物理学家认为它在理论上是有效的，但他们从未在天文观测中发现它的存在。这就是为什么霍金的贡献非常重要，但这也是他不能获得诺贝尔奖的原因。
尽管我们无法观察到黑洞发出的霍金辐射，但从霍金的研究来看，后来的科学家已经有了许多惊人的发现。例如，如果黑洞的温度和熵来自哪里？在物理学家看来，只有把量子力学和广义相对论结合起来，发展一个“统一理论”，我们才能真正理解黑洞的温度和熵是如何产生的。1996年，哈佛大学的斯特龙格和瓦法利用超弦理论计算了黑洞的熵。计算结果与霍金和贝肯斯坦的结果高度一致。这一结果表明，超弦理论是研究“统一理论”的一个非常有价值的工具。
信息丢失了吗？霍金辐射的另一个重要影响是，我们需要找出宇宙是否允许“信息丢失”。这是因为任何已知的基本物理方程都不会破坏信息。它们只会使粒子的状态不断变化，并不断“加密”信息。理论上，只要你找到正确的“解密”方法，你总是可以读出粒子携带的信息。然而，黑洞的霍金辐射是一种混乱的热辐射。黑洞不会记得它之前吞下了什么信息，但会随机地、不合理地发出辐射。因此，这些信息都将变得“混乱”，无法恢复。这与基于量子力学的基本物理方程相冲突。
霍金坚信他的计算是正确的，并与物理学家威望打赌，黑洞肯定会导致信息丢失。结果，在2004年，霍金承认他输掉了赌注，也输掉了威望的板球百科全书。这是因为超弦理论物理学家马尔达·希纳发明了双重数学方法，这也可以被视为霍金辐射理论的成果。这样，霍金可以将描述黑洞的方程转化为一个特殊的量子力学方程。因为任何已知的基本物理方程都不会破坏信息。因此，这间接地证明了黑洞不会破坏信息。
尽管霍金承认输掉了赌注，但赌注还远未结束。物理学家波尔钦斯基指出，如果黑洞不破坏信息，落入黑洞的粒子可能会在黑洞附近点燃一团炽热的火焰。流行的解释说，这就像《星际穿越》的主角库珀穿过黑洞的表面时，远处的布伦达会认为他是被火墙烧死的，否则，量子力学的一些基本原理将不得不被推翻。这个可怕的问题被称为“防火墙悖论”。也许这个悖论让霍金有点累了。2014年，霍金上传了一篇名为“黑洞的信息保存和天气预报”的论文。在论文中，霍金试图通过修改黑洞的定义来使问题看起来不那么严重。然而，这一努力没有奏效。迄今为止，防火墙悖论仍是“统一理论”中的一个迷雾。
除了证明“大爆炸始于奇点”和“黑洞有温度”，霍金还做了许多创新工作。例如，为了防止宇宙中的奇点，霍金和他的合作者哈特尔曾经提出了“无边界理论”。在这个理论中，宇宙的时间和空间不是从一个奇点开始的，而是从空间的量子涨落中自发出现的。在霍金看来，这项研究具有非常重要的哲学意义，因为“如果宇宙没有边界，而是自成一体的...那么上帝就没有干涉宇宙创造的余地了。”
丰富的研究成果给霍金带来了无数荣誉。1974年，霍金被选为英国皇家学会的成员。从1975年到1976年，霍金获得了伦敦皇家天文学会的爱丁顿奖章、梵蒂冈教皇科学学会的第11枚奖章、霍普金斯奖、美国丹尼·欧海涅曼奖、麦克斯韦奖和皇家学会的休斯奖章。1978年，霍金获得了阿尔伯特·爱因斯坦奖。自1979年以来，他一直是剑桥大学应用数学和理论物理学院的卢卡斯教授。2006年11月，他被英国皇家学会授予科普利奖章。
在人类理解宇宙的历史上，霍金不是站得最高、看得最远的科学巨人。虽然我们还没有抓住爱因斯坦想要找的大象，但霍金和他的合作者第一次感觉到了它，然后在接下来的几十年里，激发了理论物理学家继续摸索他们的手掌温度，并取得了一系列惊人的发现。从这个意义上说，霍金在这一代理论物理学家中扮演着非常重要的角色。他是一个真正的主人。