S07 站在宇宙的视野看宇宙

斯蒂芬·霍金是当代最知名、最活跃度物理学家之一，2018年3月14日，这位伟大的科学家与世长辞，享年76岁。

这位为国人所熟知的科学家在晚年最关注的问题只有两个：人工智能和太空移民。

我们大多都听到过霍金先生的言论，包括“移民火星”“地球毁灭论”“人工智能将占领地球”等等。

在这些言论之外，究竟是什么让这位经历坎坷的学者为众人所熟知，他究竟拥有哪些物理学方面的成就？

今天，就让我们一起来看一下霍金先生的代表作——《时间简史》。

《时间简史》作为霍金先生的代表作，也是全世界最知名的科普经典，畅销1000多万册，曾被翻译成40多种文字。

在这本书中，霍金先生介绍了20世纪物理学的基础知识，涵盖范围很广，从相对论到量子力学，从宇宙膨胀到基本粒子，从黑洞到冲动，都有所涉及。

更重要的是，霍金先生还介绍了“奇点定理”和“霍金辐射”这两个自己最重要的学术贡献，以及试图解决宇宙起源问题的“无边界宇宙模型”。

我们重点将围绕这三项内容展开阐述。

一、奇点定理

在20世纪以前，人们往往认为宇宙是静止的。其中，以大名鼎鼎的爱因斯坦为主。

为了印证自己关于维持静态宇宙的假设，爱因斯坦甚至在自己的方程式里加入了一项“宇宙常数”，以确保方程的成立，而这，被称为“爱因斯坦一生中最大的错误。”

而在发明了哈勃望远镜的艾德温·哈珀等科学家的观测过程中发现，宇宙中的绝大部分星系都在远离地球而去，而且离地球越远的恒星，离开地球的速度也就越快。

这意味着，宇宙就像是气球一样，在不断的膨胀。

宇宙膨胀的发现意味着，在很久以前，宇宙必然比现在小，所有的物质都会紧紧地集中在一起。

霍金和彭罗斯经过长期的观测和严谨的数学证明，得出一个结论，如果广义相对论是正确的，而且宇宙中的确有我们观测到的那么多物质，如果把时间往前推150亿年，那所有星系之间的距离都是0，那么宇宙一定诞生于一个奇点之中。

而所谓奇点，就是体积无限小、弯曲程度无限大、密度无限大、引力无限大的一个点。宇宙就诞生于“奇点”之中。

这也就是目前科学界关于宇宙诞生的主流共识——“奇点大爆炸”或者称之为“宇宙大爆炸”理论的来源。

二、无边界宇宙模型

在“宇宙大爆炸”的模型中，无法解决宇宙起源的问题。

由于宇宙大爆炸模型中，宇宙诞生于“奇点”。但包括广义相对论在内的所有物理定律，都会在奇点处失效，因为所有的物质、空间和时间都是在大爆炸之后才出现的，而我们人类的物理学知识全部是用于研究这类问题，那么在大爆炸之前的任何事件，对我们来说都没有任何意义，或者说根本就不存在，因此人类无法直接研究奇点。

而在这一推论下，就为上帝的存在留下了空间。（因为奇点之前的任何东西，也只有所谓的“上帝”才能够创造，穷极人类的学识也无法探知奇点爆炸之前的宇宙景象。）

再无边界宇宙模型中，宇宙是“有限无界”的，没有边界和奇点。霍金认为，宇宙是完全自给自足的，不受任何外来事物影响，没有创生和消灭的时刻，它就是存在本身，并不需要上帝来创造。

那么什么是“无边界宇宙模型”？在霍金的认知里，这是一个空间和时间交织在一起所组成的四维宇宙。在这个宇宙中，时空就像是地球的表面，在范围上是有限的，但却没有形成边界，也没有形成奇点。科学规律在任何一个时空点上都适用，不会发生崩溃。

三、霍金辐射

“霍金辐射”也就是“黑洞辐射”。霍金利用量子力学中的“不确定性原理”提出，黑洞也会发出辐射，并不是完全黑的。

那么，我们都知道，黑洞的引力极大，连光都不可能逃出黑洞的吸引，那黑洞又怎么可能发出辐射？

霍金提出，黑洞的边缘在一刻不停地产生粒子，其中带有负能量的粒子会被吸到黑洞里去，但还有一些带正能量的粒子，可以从黑洞的边缘逃脱。在外界看来，就好像是黑洞不断地向外发射粒子，这就是黑洞辐射，也叫“霍金辐射”。

以上，就是霍金最为重要的两项理论和一种模型假设，不得不说，霍金给人类开出了很大的脑洞。虽然在现有条件下，人们还很难探测、验证，但也不妨碍这种假说为我们科学进步提供的参考依据和重要价值。

同时，也愿霍金先生在天安好。