前一阵子霍金老爷子开通新浪微博，引发热议，让这位传奇物理学家又一次进入了中国公众的视野。因为写过《时间简史》《果壳中的宇宙》等畅销科普书的缘故，霍老爷子可以说是近几十年来公众知名度最高的物理学家。而他在罹患重病，最终只能通过电脑合成语音来与外界交流的情况下，还取得了如此杰出的学术成就，更是让他化身传奇励志故事的主角，成为吸引和激励许多人投身科学研究的原初动力。
在大家把霍金看作一个公众人物，津津乐道于有关他的种种趣闻轶事时，心中往往也会闪过一个念头：“这么多年了，我大概知道霍金的研究是和黑洞有关的，但是具体来说他到底都发现了些什么啊？他到底厉害在哪儿？”那么今天，我们就来回答这个问题，向大家简单介绍一下咱们的霍老爷子究竟都做了些啥。
什么是黑洞？
首先嘛，大家的第一印象都是没错的，霍金的研究的确就是有关黑洞和宇宙的。那么什么是黑洞呢？
在已经是年的现在，大家对黑洞这个概念已经相当熟悉了。以黑洞为出发点来进行时间旅行、星际旅行的科幻作品层出不穷，英国的muse乐队甚至还以“超大质量黑洞（supermassiveblackhole）”为题写过歌，而在电影《星际穿越》中，导演诺兰更是和加州理工学院的天体物理学家基普·索恩（KipThrone）合作，结合真实的理论模型和高超的电影特技，为大家呈现了一个令人震撼的黑洞形象。正因为人们对黑洞这个概念是如此的熟悉，所以大家可能很难想象，“黑洞”这一术语是在年，才由物理学家约翰·惠勒（JohnWheeler，他正是基普·索恩在普林斯顿读博士期间的导师）正式提出的，距今不过47年。
当然有关黑洞这类物质形态的基本设想则可以向前追溯到年，当时剑桥大学的学监约翰·米歇尔（JohnMichell）假设，如果存在一颗质量足够大而且足够紧致的恒星，它的引力场是如此的强，以致于连光线也不能逃逸出这颗恒星，那么我们就无法接受到从它那里发出的光从而直接看到它，但是仍然可以感受到它的引力作用。这是一个非常漂亮的假想，然而在18世纪，人们还在积极地争论光究竟是由微粒构成的还是波动的，对于引力究竟是怎么作用到光上面并改变它的运动路径的，当时的物理学毫无头绪。直到后来爱因斯坦建立了广义相对论，在此基础上，人们才得以用自洽[注1]的理论来研究这个问题，黑洞才不仅仅是物理学家脑中的一个假想，而成为了可以用数学严格计算的对象。换言之，现在人们通过求解广义相对论的爱因斯坦方程，发现在一定条件下得到的解表明，存在一个时空区域，由于引力作用是如此之强，光（或者其他任何东西）都不能从该区域逃逸而到达远处的观察者，这一块区域现在就被我们叫作黑洞，它的边界被称作事件视界（如图一）。
图一取自霍金《时间简史》第六章
霍金的贡献之一：黑洞奇点定理
现在轮到我们的主角霍金登场了，在霍金之前，人们已经发现我们的宇宙不是稳定不变而是膨胀的这一事实，当时的宇宙膨胀模型要求存在奇点[注2]。在英国人罗杰·彭罗斯（RogerPenrose）工作的启发下，霍金意识到求解有关宇宙的奇点，和求解黑洞的奇点，这两个问题在数学上是统一的，需要做的是把时间方向进行颠倒。最终他和罗杰·彭罗斯合作，发现在黑洞中一定存在这样一个点，在这一点上具有无限大的密度和时空曲率——这就是数学上所说的“奇点”，因此他们的这一发现又被称作“黑洞奇点定理”。这一定理的重要之处在于，它从数学上证明了，只要我们认为广义相对论是正确的，那么在过去一定存在一个奇点，我们的宇宙是从这个奇点开始，膨胀并最终形成了我们现在的宇宙——这就是我们现在耳熟能详的宇宙大爆炸理论。
霍金的贡献之二：霍金辐射
另一方面，霍金设想，根据黑洞的定义，它的边界是由刚好不能从黑洞逃逸而永远留在边缘的光线在时空中的路径形成的。由此可以推论，黑洞边界的面积可以保持不变或者随时间增大，但永远不会减小。这样“永不减小”的行为让人很自然的联想到另外一个叫做熵的物理量。
熵是一个热力学概念，它是无序程度的量度，简单来说，熵增行为表明我们这个世界在热力学上是趋向于向最无序的方向发展的，所谓破镜难圆、覆水难收，都是这种行为的宏观表现。紧接着霍金提出这个被称作“黑洞面积定理”的推论，人们进一步猜想，事件视界的面积就是黑洞熵的量度。
而一旦黑洞具有熵，它也应该有温度，进而就一定会有辐射。但是这直观上和黑洞的定义是矛盾的。为了解决这一矛盾，霍金最终得到了后来被称作“霍金辐射”的结果。这一辐射的来源是由量子理论给出的：量子力学的不确定性表明，我们可以把真空看成是由一对对涨落的正反粒子对构成的，这对粒子具有大小相等、符号相反的能量，因此总体的平均效果是总能量依旧为零。现在我们让一个黑洞靠近这样一个量子涨落[注3]的环境，当黑洞的引力足够大时，能够使得其中正粒子的能量也是负的。这样一来，当带有负能量的反粒子落到黑洞里时，它所对应的正粒子就可以从黑洞逃走——这便是黑洞辐射的来源（如图二）。当然这里为了便于理解而采用了直观的描述方式，霍金给出的不仅仅是这样一个物理图象，还包括从量子力学出发的严格数学推导，他发现这样计算得到的黑洞辐射能谱恰好就是一个热体辐射的能谱，其温度只与黑洞的温度有关——黑洞质量越大，温度越低。这个结果使得黑洞能够以恰好不违背热力学第二定律的形式向外辐射，因而足以让人们相信它的正确性。
图二取自霍金《时间简史》第七章
霍金的贡献之三：宇宙的边界条件是没有边界
霍金的上述两个贡献的研究对象是黑洞，而正如前面所说的，黑洞和宇宙起源时的形态，两者在数学上有非常相似的行为。于是接下来，霍金便尝试寻找宇宙起源的秘密。当时已经知道，宇宙是从非常热的状态开始膨胀并冷却下来的，这个模型的预测和所有的观测数据是一致的。而该理论还不能回答许多问题，例如为何早期宇宙的温度、宇宙的膨胀速率恰好就是那样一个数值？为什么我们的宇宙具有在大尺度上的均匀性和局部的无规性？这对宇宙是否会形成恒星、星系等天体至关重要，进而决定了人类是否能够在这样的宇宙中生存。
为了回答这些问题，人们寄希望于量子引力理论，虽然这一理论至今还不够完善协调，但它应该具有的某些特征是人们已经确信了的。具体到我们的问题上，因为在临近奇点时引力作用是如此之强，使得经典理论不再适用，此时的量子效应必须被考虑到。为此，霍金构建了一个四维时空体系，在这个体系下时间和空间的方向是等价的，接着采用费曼（RichardFeynman）的路径积分方法，计算时空结构在引力作用下的演化，就有可能得知宇宙对应的状态应该是什么样的。
这种方法和经典引力理论所给出结果最大的不同是，它指出我们的宇宙可以是这样的：它并非稳定存在了无限长的时间，也不是在有限的过去某一时刻的奇点上有一个开端（前两者正是经典引力理论给出的可能情况），而是具有一个没有边界的时空结构。这就像是地球的表面，当你沿着一个方向运动时，你不会掉到边缘外面或者陷入一个奇点之中，而是一直在这个球面上循环运动，现在的时空结构也是类似的情况，只不过从二维的球面变成了四维的时空结构。在这样的结构中，我们的宇宙是没有边缘的，因而也就不必考虑存在奇点。
图三天文学家的赫罗图取自个人博客北京有没有专门看白癜风的医院北京看白癜风要多少钱
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