宇宙之谜的探索者——史蒂芬·霍金
圣经说：上帝创造了宇宙。
当代物理学家说：宇宙从大爆炸中诞生。
梵蒂冈说：大爆炸理论符合圣经。
史蒂芬·霍金说：大爆炸和黑洞是不可避免的宇宙奇点。
史蒂芬·霍金说：黑洞并不黑，它不仅看得见，而且是白炽的。
史蒂芬·霍金说：在经典物理框架中，黑洞越变越大，但在量子物理框架中，黑洞因辐射而越变越小。
史蒂芬·霍金说：大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。因而上帝对宇宙的贡献消失殆尽。
有人说史蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最伟大的天才，也有人说他是疯子。
史蒂芬·霍金是谁？
霍金1942年1月8日生于英格兰的牛津，其父母都在牛津城受过高等教育。父亲法兰克·霍金是一位有名的医生和生物学家。母亲伊莎贝尔研究哲学、政治和经济学。霍金有两个妹妹和一个弟弟。霍金的父母非常注意从小培养孩子对科学的兴趣。几个孩子兴趣各不相同，霍金从小非常富有想象力，他曾想出进入自己屋子的11种办法。但是，他的语言不能同他的思维同步，有时讲话还结巴。他在五年级的时候，与几个同学一起，找了许多零件，制造了一台电脑。这电脑还真的能回答问题。许多人到学校参观，引起了一场不小的轰动。
1959年，霍金中学毕业并考入了牛津大学，这时他才17岁。在牛津大学霍金选学他所喜欢的物理学，当时他们班上有四名学生学习物理。有一次，教师布置了13道题，其他同学做了一星期，只解出一二道题，而他只用一个上午，便做了10道。他的同学们说：“与他同行并进是不可能的，我们就像来自不同的星球。”
然而在大学的第三年，他的身体出现了麻烦，他的手已不像过去那样灵活了，腿脚也不便利，并且几次从楼梯上跌下去。但他当时并没有意识到这一征兆的严重性。当年秋天，霍金申请到剑桥大学做研究生，攻读宇宙学博士。在他进入剑桥大学后不久，21岁生日刚刚过完，他就住进了医院，经过专家的多次会诊，被诊断为患了肌肉萎缩性侧面硬化症（帕金森氏症），无方可医。出院后不久的一个晚上，他做了一个被处死的噩梦。梦醒后，他忽然意识到：“如果被缓刑的话，还有事情值得做”，他重新振作起来，开始了天文学研究生涯。随着时间的流逝，霍金的病情缓和下来，但只能依靠轮椅活动。
1965年，霍金开始有关黑洞问题的研究。1974年，32岁的霍金发现，“只进不出”的黑洞具有一种完全出乎意料的特性，即由于量子力学的“隧道效应”，它会稳定地向外发射粒子，考虑了这种“蒸发”，黑洞就不再是绝对“黑”的了。他的这个惊人的创见发表几星期后，英国皇家学会就宣布他当选为该会会员，霍金成了这个世界闻名的学会有史以来最年轻的会员之一。
霍金提出“黑洞蒸发理论”的同时，他又把量子力学和引力理论结合在一起，创造了“量子宇宙论”。他说，根据量子力学，空间中充满了粒子和反粒子。黑洞存在时，一个粒子可以掉到黑洞里面去，留下它的伴侣就是黑洞发射的辐射，这就是霍金提出的被人们称为“霍金辐射”的黑洞辐射论。霍金的名字也因此在科学史上不朽。
霍金还证明，每个黑洞都有一定的温度，而且温度的高低与它的质量成反比。也就是说，质量大的大黑洞温度低，加上引力强，“蒸发”慢，寿命可能非常漫长；相反，质量小的小黑洞温度高，加上引力弱，“蒸发”快，寿命可能只有短暂的一瞬间。更有意思的结果是，黑洞的“蒸发”使它的质量减少，质量减少使它的温度升高，温度升高使它“蒸发”更快，“蒸发”更快使它质量更少，质量更少（这个“质量更少”是相对的）使它温度更高……如此循环反复越演越烈，最后终于以一场猛烈的爆发而告终。他的同事为他的理论欢呼。但是也有不少学者不相信霍金的黑洞辐射理论。当时苏联的天文学家也不相信，但是半年多以后，他们主动改变了态度，认可了霍金的观点。由于其不同寻常的遭遇及在天文学上的杰出成就，霍金获得了许多荣誉，1975年，梵蒂冈授予霍金“有杰出成功的年轻科学家”称号；1978年，获理论物理学领域的最高荣誉“爱因斯坦奖”；1980年，霍金被选为卢卡斯教授。这是一个十分崇高的职位，历史上只有牛顿、拉摩、爱丁顿、狄拉克等几位大科学家担任过这一教席。1982年，霍金接受了圣母大学、芝加哥大学、普林斯顿大学和纽约大学的荣誉学位。伊丽莎白女王封他为英国的荣誉骑士。自他的《时间简史》出版后，他被广泛尊崇为继爱因斯坦后最伟大的理论物理学家。
霍金提出的量子宇宙论是一种无边界的宇宙模型。宇宙是一个自足的整体，不需要上帝去启动宇宙。宇宙中的一切都可以由物理定理预言出来。霍金以重病之身躯克服人们无法体会的病痛折磨，奋力拼搏，取得了令世人瞩目的成就。但是祸不单行，1984年他在一次访问日内瓦时得了肺炎，进行了气管切除手术，使他完全失去了讲话能力。在这一段时间里，他唯一的与人沟通的方法是由别人指着拼写板上的一个个字母，当指的是他要的字母时，他就扬起眉毛，如此一个字母一个字母地把词拼出来。交谈十分困难，更不用说写科学论文了。美国一位电脑专家（据说是盖茨）得知霍金的不幸遭遇后，给他寄来了一套电脑软件。他用手或眼睛的运动来控制可选择所需要的字母拼成词，然后由语言合成器说出来。霍金面对随时可能死亡的威胁，丝毫没有退缩。相反地，他意识到，对他来说，时间可能是短促的，他必须非常快速和专心致志地从事研究工作。从20世纪70年代到今天，他先是被禁锢到轮椅上，后来又失去说话的能力，但他那枯槁的躯体里却有一个出类拔萃的头脑和一颗不屈不挠的心。他每活一天都是在创造一个新的医学记录。直到今天，他还在艰难地活着，战斗着……
医生曾诊断身患绝症的霍金只能活两年，他之所以能支持到今天并取得卓越成就，最主要的是他具有强烈的使命感和极其坚强的意志。霍金坚信，关于宇宙的起源和命运的基本思想可以不用数学来陈述，而且没有受过专业训练的人也能理解。他曾在通俗演讲里，生动地向听众解释“利用光速，从‘黑洞’进去，从‘白洞’到宇宙另一区域去作时空旅行”的设计，是有趣的科学幻想，而现实却是难以做到的简明道理。经过数年的辛勤写作和修改，于1988年4月正式出版宇宙论科普著作《时间简史》。书中引导读者遨游外层空间奇异领域，对遥远星系、黑洞、夸克、大统一理论、“带味”粒子和“自旋”的粒子、反物质、“时间箭头”等进行探索。《时间简史》已用33种文字发行了550万册，如今在西方，自称受过教育的人若没有读过这本书，会被人看不起。
霍金的一生，是人类意志力的记录，是科学精神创造的奇迹。霍金对物理学的毕生贡献便是证明了，在经典物理的框架中，大爆炸和黑洞是不可避免的，黑洞将越变越大；而在量子物理的框架中，黑洞却因为辐射越变越小。大爆炸和黑洞奇点不仅被量子效应所抹平，而且宇宙正是起始于此。
黑洞与霍金辐射
1975年霍金发表了一个令人震惊的结论：如果将量子理论加入进来，黑洞好像不是十分黑！相反，它们会轻微地发出“霍金辐射”之光。（该辐射包括）有光子、中子和少量的各种有质量的粒子。这从未被观测到过。因为我们有证据认为是黑洞的天体都被大量正坠入其中的热气团所包围。这些热气的辐射会完全淹没这种微弱的（辐射）效应。如果一个黑洞的质量是一个M（一个太阳质量，常作为度量天体质量的单位），霍金预言它将只能发出6×10－8开尔文的“体温”。所以只有很小的黑洞的辐射才会比较显著。特别地，这种效应在理论上是很有趣的，致力于此的学者们已经花费了大量的经历去理解量子理论如何与引力结合在一起，其后果是什么。最富戏剧性的是：一个孤立的、不吸收任何物质的黑洞会慢慢辐射其质量；开始很慢，但越来越快。最后，在其灭亡的一瞬间将像原子弹爆炸那样放出耀眼的光芒。然而一个质量为一个M的黑洞的全部寿命为1071M3秒。所以别傻等大块头变成鬼魂了（人们已经开始寻找在宇宙大爆炸中生成的小黑洞的灭亡，但至今未果）。
这是怎么回事？同在任何其他地方一样，虚粒子在黑洞视界边缘不断产生。通常，它们以粒子－反粒子对的形式形成并迅速彼此湮灭。但在黑洞视界附近，有可能在湮灭发生前其中一个就掉入了黑洞。这样另一个就以霍金辐射的形式逃逸出来。
通常的计算中涉及巴格寥夫（Bogoliubov）变形。其想法是这样的：当你量子化电磁场的时候，你必须采用经典物理方程（麦克斯韦Maxwell方程）并将其视为正频和负频两部分的线性相加。粗略地讲，一个给出粒子，另一个给出反粒子；更精确地讲，这种分割暗示着对量子真空理论的定义。换言之，如果你用一种方法分割，而我用另一种方法分割，则我们关于真空状态的观点将不符！
对此不必过于惊惶失措，这只是令人有些心烦。毕竟，真空可被认为是能量最低状态。如果我们采用根本不同的坐标系，我们对时间的观念将会完全不同，由此会有完全不同的能量观——因为能量在量子理论中被定义为参数，所以从一方面讲，我们有充分理由认为，在经典场论中，我们依据不同的正、负频划分得到不同的解，另一方面，可以肯定我们会有不同的关于最低能量状态的观点。
现在我们回到作为相对论一种特殊情况的明可夫斯基（Minkowski）平坦的时空。这里有一丛按洛伦兹（Lorentz）变形区分开的“惯性框架”，它们给出了不同的时间坐标系。但你可以发现，不同的坐标系给出不同的正负频的麦克斯韦方程解的概念之间的区别并不太糟。人们也不会因这些坐标系的不同产生对最低能量态的歧义。所以所有的惯性系中的观察者对于什么是粒子、什么是反粒子和什么是真空的意见是一致的。
但在弯曲的时空中不会有这种“最佳”的坐标系。因此即使是十分合理选择的不同坐标系也会在粒子和反粒子或什么是真空方面产生不一致。这些不一致并不意味着“任何东西都是相对（论）的”，因为存在完善的用以在不同坐标系系统的描述间进行“翻译”的公式，它们就是巴格寥夫变化公式。
所以如果黑洞存在的话，一方面，我们可以把麦克斯韦方程的解用最清晰的方式分割成正频，这种分割即使是处于遥远未来并且远离黑洞的人也能够做到；另一方面，我们可以把麦克斯韦方程的解用最清晰的方式分割成正频，这种分割即使是处于（恒星）坍缩成黑洞（一事）发生之前的遥远过去的人也能够做到。
关于在遥远未来和远离黑洞的人看不到黑洞里有什么。这个事实，还有其他一些事情要说：他对于这种状态的信息并不完全，他看到了一种带熵的状态，实际上是一种热状态。（此处我假设黑洞不是永恒的，因此返回未来的人没有黑洞可供讨论。显然霍金的原始计算正是处理这种情况。但此后的人们为简化计算通过假设黑洞的永恒性而“扩展”了他的解释。）
实际上，当你对真空作巴格寥夫变形时，你得到一个有粒子和反粒子的状态。这可能就是数学和启发性解释的联系。
霍金的黑洞学说
黑洞这一术语是1969年美国科学家约翰·惠勒为形象描述至少可回溯到200年前的这个思想时所杜撰的名字。那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。我们现在知道，实际上这两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。
1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以至于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。它是名副其实的——在空间中的黑的空洞。几年之后，法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自提出和米歇尔类似的观念。非常有趣的是，拉普拉斯只将此观点纳入他的《世界系统》一书的第一版和第二版中，而在以后的版本中将其删去，可能他认为这是一个愚蠢的观念。（此外，光的微粒说在19世纪变得不时髦了；似乎一切都可以以波动理论来解释，而按照波动理论，不清楚光究竟是否受到引力的影响。）
事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理实在很不协调。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响呢？）直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至又过了很长时间，这个理论对大质量恒星的含意才被理解。