纪念霍金：伟大的科学家和科普人
纪念霍金：伟大的科学家和科普人
今天被霍金刷屏了，可是有几个真正知道霍金的伟大呢？所以我脑补一下，请卓老师科普告知，以此纪念没有得过诺贝尔奖，却不亚于任何诺贝尔得奖人的霍金大师。
卓克
物理学家霍金在2018年3月14日去世了，很多人都在纪念他，今天我们这篇文章会帮你梳理霍金一生在物理上到底做了什么，他的科学成就到底有多大。
宇宙学是一个比较艰深的学科分支，大部分内容都是建立在数学结构之上的。所以其实想完全了解霍金的成果，需要比较雄厚的数学基础。
| 不录取我，我就把你证伪
霍金最早的成果就是他的博士学位论文，这篇论文的前半部分推翻了同系教授霍伊尔的“稳恒态宇宙”的结论。
“稳恒态宇宙”说的是宇宙整个历史都没有经历过剧烈波动，重要的参数，比如尺寸、温度，顶多是小幅度区域性的波动，物质是在真空涨落下随机出现的。
霍金牛津本科毕业后报考剑桥，本希望拜入霍伊尔门下，但没有成功，不得不改换到另外一个教授夏玛门下（Dennis Sciama）。
在这几年学习中，霍金和霍伊尔的研究生交流密切，也很关注霍伊尔的稳恒态宇宙模型，研究中偶然发现这个模型中的一个常数计算有误，在博士论文中给出了详细证明，前半部分推翻了宇宙是稳定不变的结论，在论文的后半部分论证了宇宙在他的数学模型下应该是通过大爆炸生成的。
所以， 霍金第一个成果是推翻了“稳恒态宇宙模型”，建立了“大爆炸宇宙模型”。
其后霍金的成果是和数学家彭罗斯一起在1970年左右做出来的关于黑洞的两条新证明：
1. 奇点定理
一个时间只有一个方向的时空，哪怕是没有静止质量的光子，这个时空中也至少存在一个奇点。或者说至少有一个过程，时间是有开始的，或者时间是有结束的，或者既有开始又有结束。
2. 黑洞面积定理
黑洞的表面积只能随时间增大，不能减小，这个定理的推论就是黑洞只能多个合并成一个，不可能出现一个分裂成多个的情况。
第二个定理为霍金马上要达到的学术巅峰奠定了基础。
因为它吸引到了一个年轻人的注意力，这个年轻人是发明“黑洞”这个词的物理学家惠勒的研究生贝根斯坦（Jacob Bekenstein），他认为一个只能增加的量很可能和熵有关，之后推导出贝根斯坦公式，证明黑洞表面积和它的熵成正比。
霍金对他这样理解自己的“黑洞面积定理”非常反对，因为本质上霍金只从微分几何的数学过程得到的结论，没有一丝一毫和热力学有关，怎么可能和熵挂上钩？
1973年他邀请另外两位物理学家和他一起重新推导了贝根斯坦公式，虽然没有找到任何错误，但霍金还是强烈表达自己的意思：黑洞的面积像熵，但不是熵。
在这次推导中，又产生了另外四个定律，现在被称为“黑洞力学的四个定律”。
用最简单的话说就是：
稳态黑洞表面引力是常数。
dM=k/8π dA+ΩdJ+VdQ（描述黑洞质量，表面积，表面引力，角速度，角动量，静电势之间的关系）。
黑洞表面积随时间不会减少。
不可能通过有限步骤使黑洞表面引力降为零。
| 质疑，让霍金接近巅峰
霍金对贝根斯坦的强烈反对仅限于数学推导上，情感上其实很好奇也很希望看到一个纯数学过程可以和热力学规律严格吻合，因为这样对黑洞的研究就可以用很成熟的热力学方法了。
所以之后大半年时间， 霍金在默认贝根斯坦的结论是正确的基础上，把质量、动量加上了一个“量子化”条件，继续推导黑洞随时间的演化，得到了“黑洞会向外辐射能量”这个结论，后来这个结论被称为“霍金辐射”。
到此为止，霍金在物理学上的成就达到了人生巅峰，这一年是1974年，他32岁，评选上了英国皇家学会的会员，5年后又升任卢卡斯教席数学教授，这个教席代表着极高的荣誉，前任中，广为人知的有保罗·狄拉克和伊萨克·牛顿。
所以，我们绝大多数人第一次听说霍金的时候，他早就已经不再出产科学成果了，他之后在科学上的贡献更多来自于他的科普工作。
霍金当年在伦敦国王学院第一次做这个成果的演讲时，反对声音很强烈，经过大家各自的重复推导验证，大约在1977年逐渐得到物理学界的普遍认同。
| 霍金辐射，霍金科研生涯的巅峰
这个结论说的是，在传统黑洞理论中，东西只能进入黑洞，不能出来。
但霍金增加了一个考虑因素：真空中的粒子涨落，也就是真空不空。
霍金认为，假如这种真空涨落发生在黑洞附近，带负能量的粒子被黑洞吸进去，带正能量的那个没被吸进去，吸进去的那个会让奇点上的质量减少。
而物理再怎么发展，质量能量守恒定律是根基，不能抛弃。所以外部观测者理论上能观测到一个被黑洞吐出来的正能量粒子。而因为黑洞的特性，当它失去了能量后温度反而会增加，所以黑洞会继续向外辐射能量，温差继续拉大，它和外界物质永远不会往趋于热平衡的状态渐近。
当温差越来越大后，黑洞就会越来越快地蒸发掉。
但这个过程进行得非常慢，按霍金的理论，一个质量是太阳质量10几倍的黑洞完全蒸发完需要10的66次方年。这个时间长度远超过宇宙的总历史，极其缓慢，目前最高的测量精度离测到这个过程也差十万八千里。
这也是为什么霍金第一次宣布他的黑洞蒸发理论后遭到反对的原因。
相反，如果最开始，掉入黑洞的是一个正能量，这个过程也不会停止，黑洞就会越长越大，总之，只要黑洞出现了，就不可能往趋于平衡的方向发展。
整个理论和数学证明过程之后就叫做霍金辐射了。
到此为止，我介绍了霍金的主要科研成果，他作为科学家，当然一直在搞研究，但其他内容的重要程度远不如霍金辐射，而且普通人也很难再听懂了。
| 霍金为什么没得过诺贝尔奖？
那真空里不断有正反粒子对产生这个说法，是真的吗？
只有它成立，霍金辐射才成立。
在上世纪八十年代，这个说法被实验广泛验证了，所以霍金辐射被物理学界广泛接受了。
但这并不意味着霍金辐射被证实了，因为实验难度已经远远超过目前的仪器所及，所以霍金辐射始终难有直接证据，诺贝尔奖很可能考虑到“尚未证实”这点，所以一直没有授奖。
但这个理论的重要性是足够的，不要说理论的创立者够资格，就连第一个测量到霍金辐射的人也会获奖。但现在我们离这一步差得比较远，因为直到2016年初，我们才第一次直接测量到黑洞的存在。
| 科普成果无人可比
霍金在物理学上的成果当然是无法比肩牛顿、爱因斯坦，甚至也远不及杨振宁。但如果评价他在科普上的影响力，应该无出其右。
1988年出版的《时间简史：从大爆炸到黑洞》被翻译成40多种文字，发行超过2500万册。
后续10几年，霍金又出版了一系列根据后来10几年宇宙学进展写成的时间简史姐妹篇《时间简史续编》《黑洞、婴儿宇宙及其他》《果壳中的宇宙》，加起来也有上千万册的销量。
他在晚年还参与了《辛普森一家》《星际迷航：下一代》的拍摄，客串了美剧《生活大爆炸》中的霍金，根据他的生平，还拍摄过两部电影——《万物理论》《霍金传》。
除了这些传播力最大的电影电视剧，他参加的演讲更是不计其数，他在轮椅上一直为科普贡献他所剩的时间。
可以说，地球上不论什么国家，凡是中学毕业的人都听说过霍金。
我想，以当代的社交媒体和娱乐产业的传播力，霍金应该是历史上科普成果最大的人。
