出品：科普中国
制作：左文文（中国科学院上海天文台）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2018 年 3 月 14 日，霍金离世，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，霍金本身甚至就是科学的化身。而今天是他逝世一周年的日子，让我们重新走进他的世界，再了解这位科学巨人的生命历程。
△图：2006年6月19日，霍金参观天坛（图片来源于http://app.myzaker.com/news/article.php?pk=5aa8bba61bc8e01a49000013）
还记得2017年的3月23日，霍金开通新浪微博，发了两条微博消息便吸引粉丝几百万，可见他在中国的受关注度之甚。对于很多读者来说，之所以对黑洞感兴趣，部分原因可能正是霍金的科普作品。他在公众面前积极宣传物理理论，并用通俗的语言撰写了不少科普著作，相信大家都读过他的《时间简史》和《果壳中的宇宙》等书籍。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，最后果断选择黑洞作为自己的研究方向，至今仍然很喜欢。因此，笔者真要感谢霍金给予的启发，也借此机会，将笔者从书中了解到的霍金讲述出来，试图展现一个更全面的他，特别是他做出了怎样的学术成就等。
生在战争年代，父母均为高知分子
童年的霍金（图片来源于百度百科）
1942年1月8日，霍金诞生在牛津，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分地区，每夜都还会遭到德国空军的轰炸。当时，牛津与剑桥相对比较安全，因为据说，交战双方好像达成默契，如果德国不轰炸牛津与剑桥，英国就不轰炸海德堡和格丁根。也正因为如此，霍金父母决定迁到牛津，产下霍金。
霍金的父母均为牛津大学毕业生。父亲主修医学，母亲学习哲学、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）。他们都喜欢听聪明的音乐，看聪明的书，罗素是他们共同崇拜的英国人。在别人眼里看来，他家是有点古里古怪的高级知识分子家庭。
△霍金父母（图片来源于http://m.hexun.com/book/2014-09-15/168471309.html）
学业优异，但身体给他开了一个玩笑
1952年9月，霍金进入圣阿尔班斯中学。在校的表现可以总结为这些特点：用功、模样古怪、动作笨拙、聪明、喜欢与有才的小伙伴们分享各种兴趣。朋友表示，他的洞察力很强。
1957年7月，普通班考试之后，学生需要确定选修科目。他也面临过我们或许遇到的问题：自己的兴趣与父母的期望之间存在差别，他自己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；而他的父亲希望他能去学医，认为学数学不好找工作。最后双方都作出让步，霍金报考牛津大学的大学学院，学习物理和化学。
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/34553201?from_voters_page=true）
进入剑桥大学之后，霍金决定选择宇宙学作为自己的研究方向。在学习广义相对论时，他发现自己的数学基础不够扎实，学习上面临着一些困难。没过多久，1963年，他发现自己手脚越来越不灵活，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。
他受到了致命的打击，感到绝望，觉得自己的人生就像一场悲剧。为什么这种事情会发生在自己身上？他也曾这样问自己。住院的时候，他遇到一件事情，他临床的一个患白血病的男孩死了。这给他带来很大的触动，他意识到，如果自己的生命还能延续一段时间，他还可以做很多有价值的事。
那个时候，简•怀尔德的出现和他们之间的爱情给了霍金新的希望，霍金重新恢复信心。为了自己，为了两个人的未来，霍金决定要努力拿到博士学位，在宇宙学方面做一些工作。
大家诞生：丰富的学术成就
大家可能都会把霍金和黑洞联系起来，同行们称他是上世纪70年代以来在引力和黑洞领域作出杰出贡献的众多学者之一，究竟霍金做出了哪些学术成就呢？让我们一一了解下。
成果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，那么不论恒星原本状况为何，不论它怎样坍缩，它会在黑洞中心坍缩成一个密度无穷大、曲率（弯曲程度）无穷大的时空奇点。彭罗斯提出自然界憎恶裸奇异点，因为奇点总是隐藏在黑洞的视界中。
霍金看到彭罗斯的工作之后，想到如果时间起点存在一个奇点，那么自然界就不一定憎恶裸奇点了，因为时间起点处的奇点不能被隐藏起来。讨论之后，霍金与彭罗斯二人便开始研究这一课题。1966年，他们联合发表了《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，如果根据理论来回溯扩张的宇宙，那么时间起点处情况很复杂，粒子将相互碰撞而弹开，产生一个混沌的火球。1969年，二人发展了一种新的数学技巧，用来分析时空中各点的相互关联，消除了粒子间紊乱作用所引起的混沌。他们的结论是，如果广义相对论是对宇宙的正确论述，那么在时间的起点处存在一个奇点。这一奇点同黑洞中心的奇点具有相同的性质，物质密度无限大。
△（图片来源于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：运用广义相对论发现，黑洞表面积不减
在黑洞的实际概念还很模糊的年代，霍金将研究的关注点从奇点转移到黑洞视界周围，即最靠近黑洞表面所发生的事件。研究兴趣发生改变有多个原因。
一方面，无论理论预言奇点处发生什么，都不可能用观测来检验，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件，将可能被观测探测到。另一方面，70年代重要的发展，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。在这些背景下，霍金与彭罗斯期待发展一种方式，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，霍金慢慢地脱衣服准备睡觉。突然间，他意识到彭罗斯和他在66年发展的证明奇点的技巧（提出了一个黑洞视界的实用数学定义），有许多技巧应该可应用于黑洞。
那天晚上，他想到：如果有物质或辐射落入黑洞，黑洞的表面积会增加。即使是两个黑洞互相碰撞而合并在一起，新的黑洞的表面积也大于（或等于）原先两个黑洞的表面积之和。这便是黑洞表面积不减。
黑洞（图片来源于视觉中国）
成果3：运用广义相对论和量子力学发现，黑洞不黑
1973年早期，霍金和彭罗斯开始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，已不满足于仅作类比，而是将该想法应用于黑洞中。根据热力学第二定律，在孤立系统中，体系总是自发地向混乱程度增大的方向变化，使得整个系统的熵值增大。熵也成为了表征体系混乱程度的物质状态参量。这个年轻的研究生认为，黑洞的视界大小可能正是黑洞熵的量度。
但当时霍金很不高兴。他认为，熵与温度有直接的关联，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。但如果一个黑洞有温度，那么热量一定会从它流向寒冷的宇宙，也就是说黑洞会辐射能量。这与黑洞的最基本事实——包括电磁辐射在内的任何东西，都不能从黑洞逃逸——刚好相抵触。于是，霍金与合作者合写了一篇文章，1973年发表在《数学物理通讯》上，指出上述这一点刚好是贝肯斯坦的想法的致命伤。他们说，事实上黑洞的等效温度是绝对零度……黑洞不可能发射任何辐射。
但不过1年，霍金就改变了主意。故事还得说回1971年，那时霍金发表的理论认为，当我们向时间的起始回溯时，就会发现一段特殊的时期，压力大到足以将任何大小的物质——即使只有几克——压成黑洞。也就是说，大爆炸可能会产生很多甚至比原子核还要小的 微黑洞，也许目前的宇宙中还有很多这类微黑洞。
按照黑洞的标准，微黑洞的质量很小；但是，按照日常的标准，微黑洞的质量依然很大，例如，质量大约为10亿吨（地球上一座山的质量）的黑洞，大小大约只有质子那样大。要研究这么小的物体，物理学家知道只有使用量子理论，才能探索其中的奥妙。
为了更好地解释黑洞的行为，也为了和贝肯斯坦的想法决一胜负，霍金考虑问题时，必须要将量子物理与广义相对论结合起来，最终也只是局部地统一起来。其实早在1973年，苏联物理学家证明旋转黑洞会抛出粒子。苏联物理学家的想法引起了霍金的兴趣，却没有说服他。他开始着手寻找精确的数学形式来描述，最后他发现，非旋转的黑洞也有相同的现象。
他的数学方程推出的结论是，所有的黑洞都会发射高能粒子，因此每个黑洞都有温度。这个温度，与根据黑洞表面积是黑洞熵所做的热力学预测完全一致。
具体的想法是这样的，根据量子的不确定性原理，真空中的每个微小部分，实际上包含了相当多的能量。能量只能从真空借用十分短暂的时间（普朗克时间：1e-43秒），与时间测量本身所固有的不确定性有关。粒子必须成对产生，并在宇宙还没来得及注意到这些能量被借走之前，就经由相互间的作用而湮灭。
对于一个非旋转黑洞，当一对虚粒子恰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，其中一个粒子可以被黑洞捕获，这样另一个粒子就没有同归于尽的对象，因此就会携带另一半的能量逃逸。这种方式的辐射被名为霍金辐射。
这些能量来自于黑洞的重力势能，黑洞的重力势能和质量有关。经过这样的活动，黑洞的重力势能损失，黑洞失去部分质量。如果其他条件不变，黑洞会不断收缩。
切记，根据理论，这一过程很慢，即使一个质子大小的微黑洞，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由于霍金辐射产生的温度大约是千万分之一开尔文；而对于与质子大小相当的黑洞产生的温度大约在1200亿开尔文。因此当微黑洞渐渐失去质量而变小，最终越来越热，辐射能量的速率越来越快，最后会爆炸产生X射线甚至伽马射线。
霍金发现这些理论并发表时，大约在1974年。当时这一结果在一开始，并没有投至《自然》杂志，而是拿去参加了一个名气不大、由美国重力研究基金会主办的论文竞赛，论文标题是《黑洞不黑》。关于黑洞爆炸的正式论文——《黑洞爆炸吗》出现在1974年3月1日的《自然》。
还记得他的第二项成就吗，早在1971年，霍金就发现黑洞表面积不减，黑洞不会收缩，确立了黑洞与热力学之间的关联。现在他发现，加上量子理论，黑洞与热力学之间的关联更加强了，但也发现黑洞会因霍金辐射，必须收缩。
成果4：宇宙的起始——无边界假设
如果只用广义相对论，可以导出黑洞的表面积不减小；如果再考虑量子理论，那么可能不但能缩小，最后还将化成伽马射线而消失。
如果只用广义相对论，则可导出宇宙必定在150亿年前，由一个密度无限大、而体积为0的奇点而产生。因此，霍金向自己提出的下一个问题是：如果将量子效应考虑进去，那么这个宇宙起始奇点的预测，将会有什么样的变化呢？
自从20年代量子革命以来，物理学家就一直试图努力构建一个完整的、统一的理论。但事实上，直至今日，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如何统一起来。
他在这个问题上取得了一定的进展，但是在80年代初又提出了如下的问题：时间究竟有没有奇点？
1981年，霍金在梵蒂冈公布最新发展的理论——应用理查德•费曼的路径积分来解释宇宙的创生。霍金试图利用历史总和法来描述宇宙的整体演化。目前当然这是不可能的，因为仅仅一个宇宙的历史，就包含了每个粒子从宇宙的起始到终点的各个路径。更何况，历史的总和包括每一种可能的宇宙演化路径都加在一起。
但是霍金发现，只要利用无边界条件，就能简化计算，不需要考虑每个粒子在时空中的每条路径，而是将历史总和的想法运用到具有不同曲率的弯曲时空，发现广义相对论允许各种不同曲率的宇宙存在，而具有某些曲率的宇宙，可能比其他宇宙出现的几率更大。
如何描述无边界条件呢？如果宇宙像黑洞内部一样是个封闭的时空，那么按照标准的大爆炸理论，我们把宇宙想象成一个气球的表面，从宇宙大爆炸到大崩坠，相当于气球从一个点充气变成一个大气球，又接着放气而变成了一个点，起始的点和最后的点在霍金看来就是边缘。他的无边界模型就是希望没有边界的宇宙模型。仍然用气球的表面来类比，这时气球的大小不变，球面上的点表示宇宙的某个阶段，把北极点想象成宇宙的起点，不断向南走，气球的圆截面越来越大，表示宇宙空间越来越大，宇宙在膨胀；随着到达赤道之后，再向南走，气球的圆截面越来越小，直至到达南极点，宇宙在收缩，直至崩坠。
霍金也强调，这种无边界条件只是一种猜测。但这种猜测源于量子力学的思路和广义相对论理论的局部综合，对宇宙的本质给出了一种想法——宇宙可以不同曲率存在，但某些曲率的宇宙存在的概率更大些。我们不知道答案。
成果5：宇宙之外是什么的初步探索
即使霍金提出了一个无边界的宇宙模型，但还是有很多人想知道宇宙的外面是什么。1981年前后，其他宇宙学家和霍金开始关注一个问题：一个微小的宇宙种子，怎样成长为如今如此平坦的宇宙？
宇宙的外面是什么（图片来源于三体网）
他们提出，在宇宙早期的某个时刻经历了急速的膨胀，即暴胀。在这种剧情下，就可能表明，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，都被超致密伪真空形成的无法穿透的墙永远分割开来。从某个角度来看，这种概念毫无意义。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作用，那么为何还要在乎呢？
然而也有理论计算发现，其实造成宇宙的方式不止一种，而且在某些剧情中，不同的宇宙会相互作用，如果有相互作用，我们也许还能试着找下观测证据。天文学是讲究观测证据的科学。
在这一领域，霍金也是很感兴趣，并提出一些看法。细节就不在这里细述了。
除了科研，他还致力于科普事业
霍金为全球公众所知，一个主要原因是他卓越的科普成就。他积极开展科普，创作了《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》等优秀科普书籍，还和他的女儿一起创作了一套乔治系列的科普书，生动有趣地介绍了宇宙的奥秘。他的书有个特点，公式少，故事多，不过还是有点难懂。
近些年来，霍金也提出了一些我们认为有些科幻的想法，如他称地球200年内会毁灭，人类只能移民外星球才能生存。他的想法奇特，想来也是不奇怪的。除了想法特别，他还喜欢和人打赌，大家熟知的事情是他和他的好友基普•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http://app.myzaker.com/news/article.php?pk=5aa8bba61bc8e01a49000013）
总结
一个青年人在21岁时便身患重病，被医生告知只能再活两年，然而在人生后来的55年中，面对身体不适、语言沟通不畅的现实，他运用智慧，或独立地、或与合作伙伴一起，用数学方式证明如果广义相对论是对宇宙的正确论述，那么在时间的起点处存在一个奇点；基于广义相对论发现，黑洞表面积不减；基于广义相对论和量子力学发现，霍金辐射，黑洞表面积会减；初步尝试综合广义相对论和量子力学方法提出无边界条件，发现也许宇宙能以不同曲率存在，但概率不同；参与了对宇宙暴胀理论的研究。
从事科研之余，他也积极从事科普书籍创作、科普演讲等，为公众带去了知识。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，离不开身边朋友家人的关心爱护，更离不开他自己的坚持和努力吧。他善于发现乐趣，发现希望。如果生活没有了乐趣，那将是一场悲剧。祝所有的读者能从他的身上，除了看到天才，还能看到那份努力和乐观。
