斯蒂芬·霍金的宇宙观，

楔形文字

圣经上说:上帝创造了宇宙。

当代物理学家说宇宙诞生于大爆炸。

梵蒂冈说:宇宙大爆炸理论符合圣经。

斯蒂芬·霍金说:大爆炸和黑洞是不可避免的宇宙奇点。

斯蒂芬·霍金说:黑洞不是黑的。它不仅是可见的，而且是白炽的。

斯蒂芬·霍金说:在经典物理学的框架中，黑洞变得越来越大，但在量子物理学的框架中，由于辐射，黑洞变得越来越小。

斯蒂芬·霍金说:从宇宙大爆炸到黑洞的循环是宇宙的创造、毁灭和重生的过程。于是上帝对宇宙的贡献就消失了。

斯蒂芬·霍金与照顾他十几年的妻子离婚，并深深信奉天主教。

有人说斯蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最伟大的天才，也有人说他疯了。

斯蒂芬·霍金是谁？

(2)斯蒂芬·霍金

斯蒂芬·霍金是英国理论物理学家。他的生日是1942 1.8，恰好是伽利略300周年的纪念日。1959年，17岁的霍金开始在牛津学习，在剑桥和导师丹尼斯·西亚马一起做博士论文。

然而，此时的霍金被诊断出患有一种名为“肌萎缩侧索硬化症”的疾病，这种疾病仍然无法治愈，甚至无法控制。斯蒂芬·霍金最终永远坐在轮椅上，失去了语言能力。他的一生完全依赖于他的妻子简·沃尔德。然而，这个据说全身只有三根手指能动的残疾人，却依靠惊人的毅力完成了一系列关于宇宙大爆炸和黑洞的惊人理论，为量子物理学做出了巨大贡献，向世人展示了宇宙的伟大而神秘的背景。他被普遍认为是继爱因斯坦之后最杰出的科学家。从65438年到0974年，霍金被授予“剑桥卢卡斯数学教授”的职位。

在就职典礼上，霍金费了好大劲才在花名册上签下了自己的名字，而这份花名册首页的署名正是艾萨克·牛顿。

霍金对物理学的毕生贡献证明，在经典物理学的框架下，大爆炸和黑洞是必然的，黑洞会越来越大；在量子物理的框架下，黑洞因为辐射变得越来越小。大爆炸和黑洞的奇点不仅被量子效应抹平，也是宇宙的起源。霍金对科普的贡献在于，他写了一本很受欢迎的书——《时间简史》，这本书连续100多周登上畅销书排行榜，被翻译成33种语言，销量超过550万册。

本文将以时间简史为主线，介绍斯蒂芬·霍金的理论。

(3)我们的宇宙

宇宙是如此的神秘，以至于每个人仰望星空的时候，都会忍不住好奇星星背后到底藏着什么。我们的祖先认为“天如天，地如棋秤”，而古印度人的祖先则认为大地是驮在大象背上的。

公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德在他的《天论》一书中阐述了以下观点:第一，日食是地球的影子投在月球上造成的。

第二，因为日食时看到的地球的影子总是圆的，所以可以推断地球应该是一个球体，而不是圆盘。第三，地球是宇宙的中心。太阳、月亮、行星和其他恒星分别附着在八个天球上，以完美的圆形轨道围绕地球旋转。

基督教完全接受亚里士多德的学说，这与圣经的世界观和上帝创造论是一致的。这种宇宙模型最大的好处就是在最外层的恒星天球之外，留有天堂和地狱的空间。

1514年，mikolaj kopernik牧师提出了“日心说”，认为太阳在宇宙中心静止不动，而地球和其他行星围绕太阳做圆周运动。由于害怕受到教会的迫害，哥白尼只能秘密地传播他的理论。后来伽利略观测木星时，发现木星的几颗行星都围绕木星旋转，这说明其他行星不一定围绕地球旋转。然后开普勒修正了哥白尼的理论，用椭圆轨道代替了圆形轨道，使之与观测结果很吻合。他们的公开支持最终宣告了亚里士多德理论的终结。

1687年，艾萨克·牛顿发表了举世闻名的《原理》。在书中，提出了著名的万有引力定律。《原理》这本书解决了物体如何在空间和时间中运动的问题。

人们甚至可以利用他的理论精确计算出行星的轨道。

但是问题又出现了。根据万有引力定律，行星总是相互吸引的。看起来它们不可能在大范围内保持相对静止，但最终会一起倒下。牛顿也意识到了这一点，他解释道:如果有限数量的行星分布在有限的区域内，这种情况确实会发生。但如果有无限的行星，均匀分布在无限的空间，就不会出现这种情况，因为此时引力分布是均匀的，没有中心把它们聚集起来。

其实这是我们经常遇到的理论陷阱。其实在一个无限的宇宙中，每一颗恒星都可以看作一个中心，因为每个方向都有无限多的恒星。正确的方法应该是:先考虑空间有限的情况，星星一起塌。在这个区域之外均匀地添加更多的星星。根据牛顿定律，这些添加的恒星对原来的面积没有影响，所以恒星还是会一起坠落。我们随意添加更多的恒星，想加多少就加多少，它们总会坍缩到一个点。换句话说，宇宙的局部区域总是不均匀的，应该会有局部坍缩，而且这种趋势会逐渐扩大。观察到的结果并非如此。

所以我们有一个大问题:无限的静态宇宙不存在！

(四)奥尔勃斯悖论

静态宇宙的想法如此强烈，以至于意识到引力理论使宇宙不可能是静态的科学家们并没有提出宇宙正在膨胀，而是试图修正他们的理论。甚至当爱因斯坦在1915年发表他的广义相对论时，他还相当确定宇宙是静止的。所以他不得不在他的方程中引入一个所谓的宇宙常数来修正它。他引入了一种“反引力”，这种引力是被动的，是时空结构所固有的。他声称时空的内部膨胀趋势正好可以平衡宇宙中各种物质的相互吸引，从而产生一个静止的宇宙。这个理论后来被爱因斯坦称为“人生最不可原谅的错误”。

人们通常认为是德国哲学家奥尔勃斯首先攻击了无限静止的宇宙。1823中，他提出了著名的“奥尔勃斯悖论”。他指出，如果宇宙是无限静止和均匀的，那么观察者的每一条视线的尽头必定会终结在一颗恒星上。那么我们就很容易想象，即使在晚上，整个天空也会像太阳一样明亮。有人反驳说，遥远恒星的光被它所经过的物质吸收而减弱。事实上，这个看似合理的反驳是站不住脚的，因为吸收光的物质最终会被加热，直到发出和恒星一样强烈的光。在无限静止的宇宙中，只有一种情况可以阻止夜空像白天一样明亮，那就是星星在很久以前就没有开始无限发光。在这种情况下，光穿过的物质还没有被加热，或者说遥远的恒星光还没有到达地球。那么我们又面临另一个问题:是什么让星星第一次发光？这就是人类探索了无数个世纪的问题——宇宙的起源。

1781年，哲学家伊曼纽尔·康德在他的标志性著作《纯粹理性批判》中深刻分析了宇宙在时间上是否有开端，在空间上是否有限度的问题，他称之为纯粹二律背反(即矛盾)。他主张，如果宇宙没有开端，那么在任何事件发生之前，必定有无限的时间，这是荒谬的；而如果宇宙有开端，那么宇宙开端之前是什么时间呢？康德认为双方都有令人信服的论据。其实他的论证是基于一个隐含的假设，即无论宇宙是否无限存在，时间都可以无限倒流。但是马上要讲的大爆炸理论会让我们明白，宇宙开始之前的时间概念是没有意义的。

(5)宇宙在膨胀。

20世纪的天文学家利用恒星的光谱来研究它们。由于每种元素都有自己特定的吸收线，科学家可以从它们的光谱中分析恒星的组成元素和温度。在研究这些光谱时，科学家发现了一个奇怪的现象:光谱的所有线族都向光谱的红端移动了相同的量。这是什么意思？

我们都有以下经历:汽车鸣笛向我们驶来时，笛声响亮刺耳；车开远了音调就变低了，这是因为声音的频率忽高忽低造成的。这个描述速度和频率关系的多普勒效应不难理解。光是电磁波，低频在光谱的红端，高频在蓝端。光谱向蓝端移动，说明我们接收到的恒星的光波频率变高，意味着恒星正向我们走来；如果光谱红移，说明这颗恒星离我们很远。

这里不得不提一个伟人——埃德温·哈勃。1924年，他通过观测证明了我们的星系不是唯一的，他还计算了星系之间的距离。

经过大量的观察，他对这些星系的光谱进行了分类和统计。人们期望找到和红移一样多的蓝移光谱，然而，哈勃的发现让所有人都亏了眼——几乎所有的星系光谱都是红移的，而且红移的量是很有规律的，和星系与我们距离的平方成正比。换句话说，星系离开我们的速度与离我们的距离成正比。星系离我们越远，离我们越快。

人们惊讶地发现，宇宙正在膨胀！

星系远离地球的速度是如此完美，以至于地球似乎又成了宇宙的中心。我们要回到亚里士多德的理论吗？其实并不是。首先我们可以得出，物质的密度与距离的尺度无关，天体在大尺度上的分布是非常均匀的，这一点越来越被天文观测所证明。其次，通过伽利略变换(不同坐标系之间的运动变换)，我们不难得出结论:在宇宙中的任意一点，其他恒星都离该点很远，其远去的速度与距离的平方成正比。这就像一个膨胀的气球。球上任意两点都在互相远离，两点之间的距离越大，互相远离的速度越快，但都不能算是膨胀的中心，其实膨胀是很均匀的。所以我们得出结论“宇宙中没有特别的地方。每个观察者看到的都是同样的现象。”这被称为哥白尼原理。

(6)宇宙的三个模型

宇宙的膨胀是20世纪最伟大的发现之一。这一发现在不到半个世纪的时间里，给人类几千年的世界观带来了翻天覆地的变化。这些变化的新意，几乎让人傻眼。以我们现在的知识，去观察宇宙膨胀前的宇宙学，会发现它们之间的反差和静态宇宙学与地心说的反差一样强烈。人们惊讶地发现，这个看似熟悉的宇宙，其实还是陌生的。

宇宙会如何膨胀？扩张的结果会是什么？

1922年，当爱因斯坦还在试图寻找引力常数来平衡广义相对论中宇宙的收缩趋势时，前苏联数学家、物理学家弗里德曼在广义相对论的基础上提出了两个观点，即宇宙无论从哪里观察，无论从哪个方向观察，看起来都是一样的。他指出，仅从这两个概念出发，我们就应该预期宇宙不是静止的。他以此为基础的宇宙模型与哈勃后来的观察完全一致。

弗里德曼模型有两种解决方案。一种解决方案是，当宇宙膨胀得足够快时，引力只是使膨胀变慢，而无法阻止，宇宙将永远膨胀下去；另一种解决方案是，宇宙膨胀的速度足够慢，以至于引力最终停止了膨胀，宇宙就会收缩，在星际引力的作用下受到挤压。也可以认为有第三种方案，即宇宙的膨胀速度刚好快到可以避免坍缩。它与第二个解的不同之处在于，第三个解的宇宙是平的，而第二个解的宇宙是弯曲的，像一个拱门。第三种解法实际上是第二种解法的特例。这两个解的宇宙和模型是无限的。

在第一种解中，我们看到了奇点——宇宙在空间中不是无限的，没有边界。在这里，我没有写错。这个宇宙的情况可以用我们的地球来理解。地球表面没有边界，只是体积有限，除了地球表面是二维的，宇宙空间是三维的。第一个宇宙模型的引力如此之强，以至于空间被弯回了自身。

这的确是一个很好的科幻题材，一个人环游宇宙一周后又回到了起点。然而，霍金告诉我们:“这实际上没有太大意义，因为在一个人能做出一个圆之前，宇宙已经坍缩到零尺度。你必须以比光波更快的速度旅行，才能在宇宙终结前回到你的起点——而这是不允许的！”

对于时间来说，这种解也是有限的，它有始有终，比如同一根绳子的两端，也就是它有一个边界。未来我们会看到，当人们把广义相对论和量子力学结合起来，我们就可以把这根绳子的两端连接起来，让时间和空间变得有限和无界。

那么我们的宇宙符合什么样的解呢？这是由我们目前观测到的宇宙平均质量密度决定的。我们现在观测到的所有恒星的总质量，还不到阻止膨胀所需的临界质量的1%。即使考虑到我们无法观测到的星系间暗物质，总质量也不到阻止膨胀所需密度的十分之一。这些结果意味着我们的宇宙可能会以目前几乎临界的速度永远膨胀下去。

(7)相对论

鉴于后面几章涉及的内容，有必要在这里花一点时间介绍一下相对论。

应该说，后来所有不可思议的变化都是从光速不变原理开始的。

首先，人们意识到光速是有限的。1676年，丹麦天文学家奥尔·克里斯蒂安森·米洛发现，木星的卫星并不是等间隔从木星后面出来的，木星因公转而离开地球越远，时间间隔越长。他指出，由于木星离我们越远，光线从木星发出后到达地球所需的时间就越长。这说明光不是无限快。

近200年后，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦在1865中提出了著名的麦克斯韦方程。这个描述电磁波的方程成为了真正的光传播理论。该理论预测电磁波应该以固定的速度运动。但是牛顿力学摆脱了绝对静止的概念，速度是相对的。那么选择哪个参照物来测量光速呢？因此提出真空中存在一种弹性极好的物质——“以太”，光通过它传播。1887的“迈克尔逊-莫雷实验”打破了这个假设。两人分别在地球自转的切线方向和垂直方向精确测量了光速。他们预计在切线方向测得的光速会大于法线方向测得的光速，结果是两种光速完全相同。

之后，瑞士专利局的一位名叫阿尔伯特·爱因斯坦的员工在他的一篇论文中指出，如果人们愿意抛弃绝对时间的概念，那么整个以太的概念就是完全多余的。年份是1905，这篇论文就是著名的“狭义相对论”。爱因斯坦指出，当光从光源发出时，任何匀速运动的观察者都会测到相同的光速。光速不变原理使人们从未怀疑过的绝对时间消失，进而得出运动的尺子变短，运动的时钟变慢的推论。

其实光速不变的原理在生活中随处可见，只是人们一直没有意识到。

比如一个人向我们扔石头，石头会以最快的速度离开手。如果光速和光源的速度可以叠加的话，石头射出时的光速应该大于之前，所以我们会先看到石头射出，再看到投掷动作。这显然与我们的日常经验不符。

至于光速为什么会有这种特性，爱因斯坦思考多年后说:“光很奇怪，但我们不必深究，因为它就是这样一种物质。”

然而，狭义相对论和引力理论之间有一些不一致之处。引力理论指出，物体之间的吸引力取决于它们之间的质量和距离，这意味着如果我们移动一个物体，另一个物体上的引力会立即发生变化，在这种情况下，引力效应将以无限的速度传递，而不是狭义相对论所要求的低于光速。

经过多次失败的尝试，爱因斯坦终于提出了革命性的“广义相对论”。

广义相对论指出，引力不同于其他力，“它是由于物质质量的存在而导致的时空扭曲。”比如在广义相对论看来，我们的地球并不是因为引力而沿着椭圆轨道运动，而是沿着一条在弯曲空间中最接近直线的叫做测地线的轨迹运动。当我们在地面上走直线的时候，实际上是在地球的球体表面走一条弧线，弧线的平面经过地球的球体中心。这个弧叫做测地线。这是最接近地球表面直线的轨迹。这条轨迹是地球在不均匀的时空里走过的最短距离。由于太阳质量造成的时空曲率，虽然地球在四维空间中是直线运动，但我们在三维空间中似乎是沿着一个椭圆行进。

这就像一架飞机飞过一个山区。虽然它在三维空间中是直线行进的，但它在崎岖不平的二维地面上的投影却是沿着曲线轨迹运动的。同样，光必须遵循测地线，它无法避免被引力场弯曲。我们将在后面关于大爆炸和黑洞奇点的章节中对此有更深入的理解。

(8)宇宙大爆炸

让我们回到利德曼的宇宙模型。所有利德曼的解都有一个共同的特点，即大约在150 ~ 200亿年前，宇宙中所有的星系都聚集在一点，这就是所谓的“大爆炸”。宇宙在这一刻的密度和时空曲率都是无穷大。换句话说，利德曼的宇宙模型所基于的广义相对论预测了宇宙中存在大爆炸奇点，所有科学定律都失效了——因为不可能用数学方法处理无穷大的数。如果大爆炸前有事件，对大爆炸后的事件不会有任何影响，也没有科学的远见根据大爆炸前的事件来判断大爆炸后的情况。也就是说，大爆炸形成宇宙之前的时间是没有意义的，或者说大爆炸之前的事件不可能产生后果，所以它们不构成我们现在宇宙模型的一部分。

这个结论一开始很难被大多数人接受。宇宙和时间都有一个起点，不可避免地带有神干预的色彩。就像牛顿把最初使恒星运动的“第一推动力”归于上帝一样，天主教抓住了这个机会，宣布“大爆炸”理论符合圣经。

为了避免宇宙的产生，许多人不断试图寻找稳定宇宙的理论，但几乎每一种新的解释都有致命的问题。越来越多的证据表明，必须抛弃“稳态理论”！

如果早期宇宙物质彼此非常接近，那么早期宇宙应该是极热的。1965年，美国物理学家罗伯特·迪克和詹姆斯·皮·帕尔斯提出，我们应该还能看到宇宙早期的白热。那是200亿年前，宇宙炽热的辐射已经行进了很久，就在刚才，它到达了地球。然而，由于宇宙的膨胀，这些光波发生了红移，只能作为微波辐射被观测到。与此同时，美国新泽西州贝尔电话实验室的阿诺德·潘奇亚和罗伯特·威尔逊正在做一项精密的微波测量实验。他们收到的噪音比预期的要大得多。他们小心翼翼地排除了可能的干扰——包括天线上的鸟粪。他们预测，当探测器向天空倾斜时，会受到更多的干扰，因为光线穿过了更厚的大气层，噪音应该比探测器垂直指向天空时更强。

然而，我们发现，无论探测器面向哪个方向，额外的噪声都是相同的。这说明噪音来自大气之外。两位科学家无意中证明了利德曼的假设，宇宙是各向同性的，在大尺度上异常均匀，更多的惊喜还在等着他们。他们听说了Dick和Pi pars关于早期宇宙辐射的工作，马上意识到他们找到了——2.7K(绝对温度)宇宙背景辐射！

他们两个还获得了1978的诺贝尔奖。

同样是在1965年，斯蒂芬·霍金后来的合作者，英国物理学家罗杰·彭罗斯证明，在广义相对论的基础上，由于自身引力而坍缩的恒星的表面积和体积最终会收缩为零，而此时物质的密度和时空曲率都是无穷大，这就是我们以后要讲的另一个奇点——黑洞。

彭罗斯的结果只涉及恒星，不涉及大爆炸的奇点。正在攻读博士的霍金读了彭罗斯的“任何物体在引力作用下坍缩时，最终必然形成奇点”的定理，很快意识到，如果把定理的时间箭头倒过来，他应该会得出如下结论:“任何类似弗氏的李德曼膨胀模型都必然从奇点开始”。1970年，霍金和彭罗斯最终证明，如果广义相对论是正确的，那么在我们膨胀的宇宙中，一定存在过大爆炸奇点！

他们的工作遭到了相当大的反对。科学家不喜欢奇点和宇宙时间开始的结论。然而，情感毕竟不能超越数学定理。随着实验和观测数据的积累，越来越清楚的是，宇宙在时间上必须有一个开端。

霍金和彭罗斯的研究表明，广义相对论只是一个不完整的偏理论，它不能告诉我们宇宙是如何开始的，宇宙开始之前是什么样子的。奇点定理进一步表明，在非常早期的宇宙中有一个时刻，宇宙的尺度非常小，以至于人们不得不考虑另一个伟大的偏理论——量子力学，它描述了小尺度效应。正如霍金自己所说:“现在几乎所有人都相信宇宙是从大爆炸的奇点开始的，但我改变了想法，试图说服其他科学家，宇宙的开端并不存在奇点——只要我们考虑量子效应，奇点就会消失！”

(9)黑洞

在用量子力学考虑大爆炸的奇点之前，我们先来看看广义相对论框架下的另一个奇点——黑洞。

我们都知道逃跑的速度。恒星产生的引力场越大(与其质量和密度有关)，从其表面逃逸所需的极限速度就越大。如果这个引力场大到以光速运动的物体无法逃离它的束缚，那么我们将无法观测到这颗恒星，而只能感受到它的引力效应。。这是200年前黑洞的原始定义。

事实上，光不能被认为和普通物体一样，因为普通物体在被扔到地板上的过程中速度逐渐变慢，最终落回地面，而光是匀速前进的。因此，我们必须用广义相对论的观点重新解释黑洞现象，即:

由于强引力场造成的时空扭曲，光被强烈弯曲并返回恒星表面，无法从其表面逃逸。

黑洞是一个时空区域，它的最外层是光从黑洞能到达的最远距离。这个边界被称为“视界”。它就像一部单向电影，只允许物质穿过视界，落入黑洞，却什么也出不来！

那么黑洞是如何形成的呢？先说恒星的生命周期。早期宇宙中的星云物质——极薄的气体，主要是氢——由于自身的引力收缩成了恒星。由于气体原子在收缩过程中相互碰撞的频率和速度不断增加，气体温度上升，最终恒星发光。当温度高到氢原子碰撞后不离开而聚合成氦时，称为“热核聚变”。聚变释放的巨大能量进一步增加了恒星气体的压力，达到足以平衡恒星内部引力的水平，于是恒星的收缩停止，长时间稳定燃烧。当恒星氢耗尽后，由于核反应的减弱开始冷却，恒星气体的压力不足以抵抗自身引力，导致恒星再次收缩。恒星中的氦融合形成更重的元素，如碳或氧。但这个过程并没有释放出太多的能量，恒星继续缩小。

诺贝尔奖获得者、印度裔美国科学家钱德拉塞卡在1928中指出，由于泡利不相容原理(同一轨道上不存在两个运动状态相同的粒子)，当恒星进一步收缩时，物质粒子靠得很近，必须严格遵守不相容原理，因此粒子间的发散趋势平衡了恒星本身的引力，使恒星不再收缩。如果电子之间产生了这种不相容原理导致的排斥力，那么这颗恒星就会坍缩成一颗半径几千英里、密度几百吨每立方英寸的冷星——一颗“白矮星”。科学家们观察到了大量的白矮星。另一种坍缩形式是“中子星”——上面的电子早已被引力拉向质子，所以这颗星全部由中子组成，它依靠中子不相容原理产生的排斥力来对抗自身引力，以维持其“形状”。它们的半径只有大约10英里，密度是每立方英寸几亿吨。中子星也已经被观测证实。

同时，钱德拉塞卡计算出，当恒星的质量超过太阳的1.5倍时，即使是不相容原理也无法阻止恒星继续坍缩，恒星会无休止地收缩，直到体积为零！这时候物质密度和时空曲率就会无限大。所有的科学定律在这里都会失效。这就是我们前面提到的“黑洞奇点”。

事实上，有一种情况是，当超过强德拉塞卡极限的恒星耗尽燃料时，它们可能会在一场名为“超新星爆发”的巨大爆炸中抛出大量物质，从而将自身降低到极限质量以下，避免坍缩。但这不可能总是发生。即使是这样，如果白矮星或中子星增加额外的物质会发生什么？

科学家们震惊了。他们无法相信这种理论，并对其怀有敌意。他们都写过文章证明恒星的体积不会缩小到零，包括爱因斯坦。

然而，斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯在1965和1970的研究指出，如果广义相对论是正确的，那么黑洞中一定存在无限密度和时空曲率的奇异性。类似于宇宙大爆炸，这个奇点就是所有事件的终结，科学规律的可预测性将失效。

我们用广义相对论来描述和理解黑洞。当恒星坍缩时，恒星发出的光波发生强烈的红移。当一颗恒星收缩到临界半径时，它的引力场是如此之强，以至于光波被散射成无限长的时间间隔。黑洞外的观测者会看到这颗恒星发出的光越来越红，越来越暗，最后这颗恒星再也看不到了。这是一个名副其实的黑“洞”！