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2018年3月14日，霍金去世，全世界都在哀悼这位巨星的陨落。作为近代最伟大的物理学家之一，霍金本人甚至是科学的化身。今天是他逝世一周年。让我们重新走进他的世界，了解这位科学巨人的人生历程。
图片：2006年6月19日，霍金参观天坛(图片来自http://app.myzaker.com/news/article.php? PK=5 aa 8 BBA 61 BC 8e 01 a 49000013)
还记得2017年3月23日，霍金开通新浪微博，发了两条微博，吸引了百万粉丝。可见他在国内受到了极大的关注。对于许多读者来说，他们对黑洞感兴趣的部分原因可能是霍金的科普作品。他在公众场合积极宣传物理理论，用通俗的语言写了很多科普作品。我相信大家都看过他的书比如《时间简史》，《果壳中的宇宙》。上大学的时候，虽然看不懂《时间简史》，但还是被书中的黑洞深深吸引。最后，我果断选择了黑洞作为我的研究方向，我还是很喜欢。所以，我真的要感谢霍金的启发，借此机会说说我从书中了解到的霍金，试图展现一个更全面的他的画面，尤其是他的学术成就。
战争期间，父母都是知识分子。
童年霍金(图片来自百度百科)
1942年1月8日，霍金出生在牛津，这一天恰好是伽利略逝世300周年。1942年，伦敦和英格兰南部大部分地区每晚都遭到德国空军的轰炸。当时牛津和剑桥相对安全，因为据说交战双方似乎已经达成默契，如果德国不轰炸牛津和剑桥，英国就不轰炸海德堡和哥廷根。正因为如此，霍金的父母决定搬到牛津，生下霍金。
霍金的父母都是牛津毕业生。父亲主修医学，母亲学习哲学、政治学和经济学。霍金有两个亲生姐姐菲利帕(小1岁)和玛丽(小5岁)，还有一个弟弟爱德华(小14岁)。他们都喜欢听灵动的音乐，阅读灵动的书籍。罗素是他们共同崇拜的英国人。在别人眼里，他家是有点古色古香的高级知识分子家庭。
霍金的父母(图片来自http://m.hexun.com/book/2014-09-15/168471309.html)
学业优秀，但身体跟他开了个玩笑。
1952年9月，霍金进入圣奥尔本中学。在学校的表现可以概括为这几个特点：努力，长相怪异，动作笨拙，聪明，喜欢和有天赋的朋友分享各种兴趣爱好。朋友们说他的洞察力很强。
1957年7月，普通班考试结束后，要求学生确定选修科目。他也曾面临过我们可能遇到的问题：他自己的兴趣和父母的期望有差异，他想学习数学和物理，因为这两门学科可以帮助他探索宇宙的奥秘；而他父亲想让他学医，认为学数学不好找工作。最后双方都做出了让步，霍金申请了牛津大学的大学学院，学习物理和化学。
1959年，17岁的他进入牛津大学并获得奖学金。1962年，他进入剑桥大学攻读博士学位。
图片：牛津游艇俱乐部的照片(图中拿着手帕的霍金)(图片来自https://zhuanlan.zhihu.com/p/34553201? from _ voters _ page=true)
进入剑桥大学后，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，在学习中面临一些困难。没过多久，1963年，他发现自己的手脚越来越不灵活。后来，他被诊断为肌萎缩侧索硬化症。医生预测他还能活两年。
他遭受了致命的打击，感到绝望，觉得自己的人生就像一场悲剧。“为什么这种事会发生在自己身上？”他曾经问过自己同样的问题。当他住院的时候，发生了一些事情。他的一个患白血病的临床男孩死了。这对他触动很大，他意识到如果自己的生命能持续一段时间，就能做很多有价值的事情。
当时简怀尔德的出现和他们的爱情给了霍金新的希望，霍金重拾信心。为了自己，为了两个人的未来，霍金决定努力拿到博士学位，做一些宇宙学方面的工作。
大家都出生了：丰富的学术成就
大家可能会把霍金和黑洞联系在一起。同事们称他是20世纪70年代以来在引力和黑洞领域做出突出贡献的众多学者之一。霍金取得了哪些学术成就？让我们一个一个来了解一下。
1:早期宇宙存在奇点。
1965年，数学家罗杰彭罗斯发现，如果一颗恒星在生命末期坍缩成黑洞，那么无论这颗恒星的原始状态是什么，无论它如何坍缩，它都会坍缩成黑洞中心的一个密度无限大、曲率(曲率)无限大的时空奇点。彭罗斯提出“自然界讨厌赤裸裸的奇点”，因为奇点总是隐藏在黑洞的视界中。
看到霍金彭罗斯的作品后，他认为如果时间之初存在奇点，那么自然也不一定会讨厌赤裸裸的奇点，因为时间之初的奇点是无法隐藏的。讨论结束后，霍金和彭罗斯开始研究这个话题。1966年，他们共同发表了《奇点与时空几何》，并获得了亚当斯奖。
在他们研究这个课题之前，一些科学家认为，如果我们根据理论来追踪膨胀的宇宙，时间开始时的情况会非常复杂，粒子会相互碰撞并弹开，产生混乱的火球。1969年，两人发展了一种新的数学技术来分析时间和空间中的点的相关性，并消除了粒子间无序引起的混乱。他们的结论是，如果广义相对论是对宇宙的正确阐述，那么在时间的开端就有一个奇点。这个奇点和黑洞中心的奇点具有相同的性质，物质的密度是无限的。
(图片来自https://m.ba
idu.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 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。
霍金的死亡过程
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