除了《时间简史》，关于霍金你还应该知道这些！.docxVIP

图 1 霍金的照片，摄于2006年5月　　3月14日，英国著名物理学家史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）在家中逝世，享年76岁。　　提到霍金，你们往往会想起他标志性的轮椅，以及那本畅销全球的《时间简史》。然而说起他的本职工作——物理学家，除了专业人士，恐怕很多人都不清楚他在科学上究竟做出了怎样的贡献。　　记得霍金曾经在他的书中说到过，由于他身体的缺陷，他没有太多的精力去学习某一实际学科的具体知识，因此他尽量避免从事的具体、复杂的实际问题的研究，而是一直在做宇宙学和黑洞、量子引力等方面的抽象的理论研究。　　那么霍金究竟有哪些重要的科研成果？对物理学的发展起到了怎样的作用？且听小编娓娓道来。　　奇性定理图 2 大爆炸宇宙模型　　1922年，弗里德曼（Friedmann）提出的宇宙学模型认为宇宙起源于一个奇点，称为大爆炸奇点（big bang singularity），这一点宇宙的密度将是无穷大，也被称为宇宙的原初奇异性。　　1931年，天文学家钱德拉塞卡（Chandrasekhar）在推出白矮星的质量极限之后意识到大质量恒星的晚年命运有待进一步推测，但另一位天文学家爱丁顿（Eddington）却断然否定黑洞（包括时空奇点）存在。　　1933年，奥本海默（Oppenheimer）等人把钱德拉塞卡的工作推广到中子星，指出质量足够大的球对称的恒星演化到晚期，由于中子简并压无法抗拒引力收缩，必然会无限收缩以致于坍缩到密度无穷大的一个时空奇点，稍后便给出了实质上是第一个描写黑洞形成的精确解。　　可惜那时，包括爱因斯坦（Einstein）在内的许多物理学家们都不相信这些时空奇点会真正地存在于我们真实的宇宙中。他们认为：黑洞的奇点是恒星模型理想的球对称坍缩所致，而宇宙原初的奇点是宇宙模型的均匀和各向同性所致，但真实的恒星和宇宙都不可能有像模型中那样精确的对称性，因此时空奇点在真实的世界里也不会存在。　　然而霍金和彭罗斯（Penrose）在1965—1970年通过抽象的推理证明，以独辟蹊径的研究表明，即使不需要对称性的假设，大质量恒星晚期坍缩形成的黑洞和宇宙原初的奇异性在一定条件下都是不可避免的（详细内容可见HawkingPenrose（1970） 的论文[5]）。[1]　　通俗来讲，奇性定理就是说，只要满足引力特别强、能量条件、因果条件等条件，黑洞是可以存在于我们的真实世界的，宇宙也可以诞生于一个奇点，不再只是纯理想的模型。图 3 不同质量恒星演化的命运，大质量的恒星最终会坍缩形成黑洞（位于图中右下角，所画的是黑洞的吸积盘和喷流）　　近年来大量的天文观测也发现了许多的黑洞，尤其是引力波的成功探测更是直接探测到许多双黑洞的信号（如GW150914），都无疑支持了黑洞的存在；同时也有许多天文的观测证据（比如宇宙微波背景辐射、宇宙元素丰度的预言等）支持了大爆炸宇宙模型的预言。大爆炸宇宙模型目前还是我们宇宙学的标准模型。　　如果没有奇性定理，这些模型永远只能是理想模型，无法与现实接轨。图 4 ?模拟出来的黑洞视图（图正中央）　　黑洞热力学　　1972年霍金与Bardeen及Carter合作写了一篇关于黑洞力学（black hole mechanics）的论文，他们指出一个黑洞的力学性质可以用两个物理量来描述：黑洞视界的面积和视界表面的引力（surface gravity），这两个量分别类似于热力学中的熵和温度，因此也可以定义黑洞的熵和温度。基于这种类似性，他们给出了相应于热力学四大定律的黑洞力学的四大定律[1]，其中包括霍金在1971年发表的黑洞边界面积不减定理（也被称为霍金定理，也是黑洞力学的第二定律），其中黑洞的边界就是黑洞的事件视界（event horizon）（简称视界）。　　由于黑洞的引力之强，它会不断从外界吸收物质到它的视界面内，而视界面里面的物质却无法逃脱（霍金辐射例外，后续会介绍），因此黑洞就像一条只进不出的“贪吃蛇”，随着时间的演化，它的质量会越来越大，相应的视界面的面积也会越来越大而丝毫不减。　　举个例子，比如对于最简单的球对称的史瓦西（Schwarzschild）黑洞，它的视界面就是一个球面，面积正比于史瓦西半径的平方，也就正比于黑洞质量的平方。因此黑洞的质量只增不减，它的视界面积也是只增不减。这一定理与热力学的第二定律——熵增原理是非常类似的！再举个例子，比如两个小的黑洞可以合并成一个大的黑洞，而大的黑洞的视界面积会比之前的两个小黑洞的视界面积之和还大，反之，一个大的黑洞不会自动地变成两个小的黑洞。　　需要说明的是，这是经典的黑洞热力学，只用到广义相对论，暂时不需要用到量子理论。　　引力波探测也同样探测到许多例这样的双黑洞并合事件，它们是符合理论计算预期的。图 5 双黑洞的艺术想象图（图片来自L