人类一直惊叹于宇宙的奇迹、恒星和行星、遥远的卫星以及遥远苍穹呈现给我们的伟大奥秘。但是很少有人能够像史蒂芬·霍金教授一样，发现宇宙的秘密并深入浅出地介绍给大众。关于霍金的神秘面纱将在今天的节目中解开，今天我们将一同探寻如果霍金有无穷的时间，会发生什么呢？

如果你是一名渴望了解真相的听众朋友，不如赶紧订阅我们的节目吧。当然不止今天的节目，本栏目其他片单里还有更多关霍金的奇闻轶事。

Stephen Hawking, best-known physicist of his time, has died

霍金在仅仅21岁的时候就被诊断出患有肌萎缩侧索硬化症即ALS，直至他2018年去世的时候，他一致在与病魔英勇战斗，挑战医学前沿。在1963年的时候，医生认为他最多只能再活两年了，但所有人都坚信，即使是身患疾病，他也不会放弃对宇宙的探索，而他也确实在有限的时间里给人类留下了无穷的知识财富。

事实上，2011 年他与《卫报》讨论他这令人费解的“长寿”时，霍金说道：“我在过去的49年间，非常清楚自己很有可能随时死去，但是我不害怕死亡，当然我也不期望死亡来临，因为在离开之前我还有很多想做的事情。”

也许令人惊讶的是，霍金在学校的时候曾是一名非常叛逆的学生，他不认真学习，觉得自己是一个麻烦的学生。但是在带过他的大多数导师眼里，他绝对是一个天才人物。

Stephen Hawking - Movie, Wife & Books - Biography

19世纪60年代到70年代，他在科学界和学术界声名鹊起，尤其是当他在1974年发表了有关黑洞的研究成果之后。在这篇文章里，他首次提出黑洞会散发辐射这一理论，这一发现与爱因斯坦早期的理论相悖，即绝对没有任何东西可以逃离黑洞，甚至光也不行，实际上光确实无法逃离黑洞。

霍金指出黑洞以泄漏能量的形式向外散发辐射，而这种能量最终会导致黑洞坍缩闭合并最终消失。这一发现在英文中以他的名字命名，即黑洞辐射理论也称之为霍金辐射理论。虽然当今的物理学界关于这一解释是否真实仍然存在一定争议，但是如果霍金能活得更久的话，或许最终他能够帮助证明或者至少看见黑洞辐射理论能够被予以证明。

他关于黑洞的研究当然不止这些，霍金也曾提出过关于奇点的理论。奇点是……

How Has Stephen Hawking Lived Past 70 with ALS? - Scientific American

黑洞中心的无限密度点——奇点

当然，我们如今是无法深入黑洞内部探察的.但假设我们可以的话，会见到什么场景呢?

霍金推测，呈现在我们眼前的将是一个长长漏斗，其核心交汇处是一个奇点，它将所有被黑洞吸收的物质碾为齑粉。

早在上世纪70年代，霍金就在自己的论文中阐释了以上观点，希望自己在黑洞方面的开创性研究为人所知，同时也希望自己能在破解黑洞这一宇宙最大未解之谜上更进一步。但事实上直到他在1988年发表《时间简史》后，才逐渐被主流科学界所认知。

这不是他的第一本著作，但从很多方面而言，这本书是他最重要的作品。他主张科学不仅是学术精英们曲高和寡的研究，更应该是对所有人都敞开怀抱的。

霍金希望呈现的是一本用所有人都能理解的直白语言来描述宇宙最深层的运作法则的书，而非需要一定程度的理论物理学专业素养才能理解其复杂的专业术语与理论思想的专著。这也让《时间简史》成为在泰晤士报的畅销排行榜上持续五年榜上有名的全球畅销书。

在《时间简史》大获成功后，霍金继续用一种通俗易懂的方式来为大众揭示宇宙的奥秘。30年后的2018年，霍金的最后一本畅销书《重大问题的简答》出版，他的作品与思想在他逝世后仍然在为揭秘宇宙奇迹贡献余热，激发了我们对地球之外的浩瀚宇宙的广泛兴趣。 在交替出现的宇宙时空里，他将永垂不朽，并将续写更多引人入胜、鼓舞人心的畅销科学巨著。

I did not touch your Bishop' and 19 other things Stephen Hawking said that proved he was a comedian in a universe, somewhere | Business Insider

我们相信，地球上的生物是自然造化衍生的奇迹。所以在无限的宇宙中，一定有其他生命的存在。 “交替宇宙”理论是他提出的一大猜想，也是他为“多元宇宙”的深入研究做出的巨大贡献。

事实上，霍金有两种不同的多元宇宙思想理论，他在逝世前几周与托马斯·赫托格合作发表的论文中修改了自己最初提出的理论。

霍金一生中大部分时间都在深入研究宇宙大爆炸和宇宙膨胀说两大理论，进而解决了我们通常在物理学中提出的“视界”的问题， 答案是：宇宙中的光的传播速度没有快到能逃脱奇点的引力，也就无法遍布我们可观测的宇宙的所有的点，因此在一些地方形成了“黑洞”。

他的旧的多元宇宙理论认为，大爆炸后迅速膨胀的宇宙逐渐分割形成无数个独立口袋式的平行宇宙泡泡。但他和赫托格的新多元宇宙理论在爱因斯坦的基础物理定律的基础上对旧的理论进行修正，提出多元宇宙并非无限形成，展示出更少的自由度，形成了一个新的理论。

Stephen Hawking's Final Paper Suggests Our Universe is Only One of Many | UPLIFT

在霍金去世前不久，他关于多重宇宙的理论已接近完备。如果老天爷能再给他一些时间，或许他就可以进一步完善他的理论，并在将来的某一天，给我们指出多重宇宙存在的明确证据。

霍金研究空间的性质，但他的研究领域却不仅限于此。在1983年，他曾与James Hartle一起指出，虽然我们不能排除时间旅行的可能性，但是我们也不可能回到宇宙起源的那一刻。他们认为，在宇宙刚诞生的“那一刻”，“时间”的概念是不存在的——那时，只有空间才是有意义的。事实上，对于霍金来说，“宇宙起源”这个概念本身就是毫无意义的。

霍金他曾对时间旅行的可能性进行过深入的思考，并最终认为我们无法排除这种可能性。为了验证他的看法，他曾举办了一场后来广为人知的宴会——这场宴会专为邀请时间旅行者而举办，因此，它的邀请函是在宴会结束后才发出的。不巧的是，没有任何人来参加这次宴会。但对此的解释或许不仅仅是时间旅行的可能性不存在。其他可能的解释有，对于任何一个真正的时间旅行者，参与这样一场由这个星球上最有名的人组织的、专为时间旅行者而设计的宴会，将会不可避免地暴露他们的身份；又或者，来自未来的人只是单纯地不讲礼节，即使霍金愿意相信时间旅行并诚心诚意地邀请他们，他们也不愿前来参加宴会。

M理论——霍金其他书中的一个理论——提出宇宙实际上可能有11个隐藏的维度。这个观点与人们通常的认知是不同的，因为人们通常认为宇宙的时空只有四个维度，即三维空间与一维时间。这个理论指出，通过适当的运用这些隐藏的维度，我们或许就可以进行时间旅行。

Stephen Hawking: 'If you feel you are in a black hole, don't give up. There's a way out.' | Black holes | The Guardian

无可置疑的是，霍金最知名的成就是他关于宇宙的理论，但他的一生远不止于仰望星空。他同时还是许多不同运动的领导者与参与者。如果他被再次给予机会，他会持续提升人们对各类残障人士的关注度——不仅包括患有渐冻症的人们，还包括有各类其他残疾的人们。他致力于让人们对残障人士更加包容、更加了解。同时，他也是一位对全球变暖及其危害的宣传者，并不断强调全球变暖是威胁人类生存最重要的因素之一。他在环保问题上的行动甚至让他得出一个结论：如果人类保持现有的生产生活方式不变，那么，人类在2600年就会因环境急剧恶化而最终灭亡。

地球转化了如此多的能量使其变成一个大火球，人类移民到太空中并殖民到其他世界以从星际膨胀中获救的想法其实并不像他想得那般前途无望。显然就像此前警告气候变化带来的恶劣环境影响一样，霍金本可以继续提供类似的见解和建议。他更多时候被当做一个有着世界范围影响力的博学者，他甚至会担起改善人类行为的责任。在霍金的一生中（甚至现在他已经去世），他对于科学以及环境的贡献与成就广受认可，在1974年，他关于霍金辐射的早期发现让他成为伦敦皇家学会的最年轻的成员之一。

Stephen Hawking And 32 Top Physicists Just Signed a Heated Letter on The Universe's Origin

1982年，在时间简史出版之前伊丽莎白二世授予了他一枚CBE勋章（大英帝国司令勋章），尽管已经出版接近十年了，传闻他仍拒绝了一个爵位以表示对英国政府科学经费稀缺的抗议。而他却在其他荣誉之中接受了贝拉克奥巴马的总统自由勋章，霍金仍以一个在世界历史上最有荣誉的人之一的形象与我们同在。

如果英国政府最终更重视stem教育的话，可能更加如此。这个伟大的天才不惧死亡，并且已经比最好的医生所预测的寿命还多活了五十年。世界会以他为荣，“我并不是为了获得荣誉而去研究的，我只是想探索宇宙”。他的思想、理论以及论文仍会在接下来的几个世纪继续提供理论基础，毫无疑问，如果霍金能永生，将会有更多的科学成果诞生。你怎样看待是否有任何我们遗漏的东西，让我们从未被揭示的理论中得到这些clips以及确保你将保持关注并为我们的末日鸣响警钟。

史蒂芬霍金的宇宙观，

从大爆炸到黑洞-史蒂芬·霍金的宇宙观
（一）楔言
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。
史蒂芬·霍金与照顾他十几年并且笃信天主教的妻子离婚。
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？
（二）史蒂芬·霍金

史蒂芬·霍金是英国理论物理学家，他的生日是1942年1月8日，这一天刚好是伽利略三百周年的忌日。1959年，17岁的霍金开始就读与牛津，并在剑桥跟随导师邓尼斯·西阿玛作博士论文。
然而就在这时，霍金被诊断患上一种叫做"肌肉萎缩性侧面硬化症"的疾病，这种病至今仍不能治愈乃至于控制它。史蒂芬·霍金最终只能永远坐在轮椅上并且失去了语言能力，一切生活完全依靠他的妻子简·瓦尔德照顾。但这位据称全身只有三个手指能动的残疾人，却依靠惊人的毅力，完成了一系列惊人的关于大爆炸和黑洞的理论，对量子物理作出了巨大的贡献，将宇宙伟大而神秘的背景展现给世人。他被广泛尊崇为继爱因斯坦之后最杰出的科学家。1974年，霍金被授予"剑桥卢卡逊数学教授"一职。
在就职典礼上，霍金十分费力地将名字签在名册上，而这本名册最前页的签名便是-伊萨克·牛顿。
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。霍金对科普的贡献则在于，他写了一部脍炙人口的读物-《时间简史》，该书荣登畅销书榜达一百多周，先后被译成三十三种文字，售出五百五十万册以上。
本文将以《时间简史》为主线，介绍史蒂芬·霍金的学说。
（三）我们的宇宙
宇宙是无比的神秘，以致于当每一个人抬头仰望星空的时候，他都会不禁想了解繁星点点的背后到底隐藏着什么。我们的祖先认为"天似苍穹，地如棋秤"，而古印度人的祖先认为大地是驮在一只大象的背上。
在公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，阐述了以下观点：一、月食是由于地球的影子投到月球上所致。
二、由于月食时看到的地球的影子总是圆的，可以推断地球应该是一个球体，而不是圆盘状。三、地球是宇宙的中心。太阳、月亮、行星和其它恒星分别附在八个天球上，以完美的圆形轨道绕地球旋转。
基督教将亚里士多德的理论完全接纳，认为与《圣经》的宇宙观一致，符合上帝创世的理论。这个宇宙模型的最大优点，就是在最外层的恒星天球之外，为天堂和地狱留出了空间。
1514年，教士尼古拉·哥白尼提出了"日心说"，认为太阳静止地位于宇宙的中心，而地球和其它的行星围绕着太阳作圆周运动。由于害怕教会的迫害，哥白尼只能秘密地传播他的学说。后来，伽利略观测木星时，发现木星的几个行星围绕着木星旋转，这表明其它星球不一定围绕着地球旋转。继而开普勒修正了哥白尼的理论，用椭圆轨道取代了圆周轨道，使其很好的符合观测结果。他们的公开支持，最终宣告了亚里士多德学说的终结。
1687年，伊萨克·牛顿出版了举世闻名的《原理》。在书中提出了著名的万有引力定律。《原理》一书解决了物体如何在空间和时间中运动的问题。
人们利用他的理论，甚至可以精确地计算星球运行的轨道。
但是问题又出现了。根据万有引力定律，星球间总是相互吸引的，它们似乎不能保持大尺度上的相对静止，而终将落到一起。牛顿也意识到了这点，他解释说：如果有限颗行星分布在一个有限的区域中，这种情形的确会发生。但如果存在无限颗行星，均匀的分布在无限的空间，这种情形就不会发生，因为这时引力分布是均匀的，不存在任何一个使它们聚集的中心。
其实这是我们所经常遇到的一个理论陷阱。实际上在一个无限的宇宙中，每一颗恒星都可以看作是一个中心，因为在它的每个方向上都有无限多颗恒星。正确的方法应该是：先考虑有限空间的情形，恒星会坍塌到一起。在这个区域外均匀地加上更多的恒星。按照牛顿定律，这些加上的恒星对原先的区域没有什么影响，所以恒星还是会落到一起。我们任意地加上更多的星体，愿意加多少都可以，它们总是会坍缩到一点。换言之，宇宙的局部区域总是不均匀的，应该出现局部性的坍缩，并且这种趋势会逐渐扩大。而观测到的结果并不存在这种情形。
于是我们遇到了一个不小的问题：无限静态的宇宙不存在！
（四）奥伯斯佯谬
静态宇宙的观念是如此之强，以致于那些意识到引力理论导致宇宙不可能静态的科学家们并没有提出宇宙在膨胀，而是试图去修正他们的理论。甚至爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时，还非常肯定宇宙是静态的。因此他不得不在他的方程中引进一个所谓的宇宙常数来进行修正。他引入一个"反引力"，这个力是无源的，是空间-时间结构所固有的。他宣称，空间-时间内在膨胀的趋势，刚好可以平衡宇宙间各物质的相互吸引，结果形成了静态的宇宙。这个理论在以后被爱因斯坦称为是"一生中最不可原谅的错误"。

对于无限静止的宇宙首先发难的通常归功于德国哲学家亨利希·奥伯斯。1823年，他提出了著名的"奥伯斯佯谬"。他指出，如果宇宙是无限静止的和均匀的，那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗恒星上。那么我们不难想象，整个天空即使是在夜晚也会象太阳一样明亮。有人提出反驳：远处恒星的光线被它经过的物质所吸收而减弱。其实这看似有理的反驳是站不住脚的，因为吸收光线的物质将最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。无限静态宇宙只有一种情形能避免夜空象白天一样明亮，那就是：恒星不是在无限久远以前就开始发光。在这种情形下，光线所经过的物质尚未被加热，或者远处的恒星光线尚未到达地球。我们于是又面临着一个问题：是什么使恒星第一次发光？这就是人类探索了无数世纪的问题--宇宙起源。

1781年，哲学家伊曼努尔·康德在他的里程碑式的著作《纯粹理性批判》中，深入的辨析了宇宙在时间上有无开端、空间上有无极限的问题，他称这个问题是纯粹的二律背反（即矛盾）。他论证道：如果宇宙没有开端，则任何事件前都必有无限的时间，这是荒谬的；而如果宇宙有一个开端，那么宇宙开端前是什么时间呢？康德认为正反两方面都存在令人信服的论据。事实上他的论证基于了一个隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间都可以无限地倒溯回去。但即将谈到的大爆炸学说将让我们理解：在宇宙开端之前的时间概念是没有意义的。
（五）宇宙在膨胀
20世纪的天文学家们利用恒星的光谱来研究恒星。由于每一种元素都有其特定的吸收谱线，使科学家们得以从恒星光谱分析出恒星的组成元素及温度。科学家们在研究这些光谱时发现了一个奇特的现象：所有光谱的线族都向光谱的红端移动了相同多的量。这意味着什么呢？

我们都有如下的经验，当鸣笛疾驶的汽车朝我们开过来的时候，笛声是高亢刺耳的；当车远离时，声调则变得低沉，这是因为声音的频率变高和变低所造成的。这个描述速度与频率之间关系的多普勒效应是不难理解的。光是电磁波，低频率出现在光谱的红端，而高频率在蓝端。光谱向蓝端移动，表明我们接收到的恒星的光波频率变高，这意味着恒星在向我们而来；如果光谱红移，则说明恒星离我们远去。

这里不得不提到一位伟大的人物--埃得温·哈勃。1924年，他通过观测证明了我们的星系并不是唯一的星系，他还算出了星系间的距离。

在做了大量的观测之后，他对这些星系的光谱进行了分类和统计。人们预料会发现与红移一样多的蓝移光谱，然而，哈勃的发现令所有的人跌破了眼睛--几乎所有的星系光谱都是红移的，而且红移的量也极有规律，与星系离开我们距离的平方成正比。也就是说，星系离开我们远去的速度与离开我们的距离成正比。星系越远，则离开我们的速度就越快。

人们惊讶地发现：宇宙在膨胀！

星系相对于地球的远离速度是如此的完美，以致于地球似乎又成了宇宙的中心，难道我们又退回到亚里士多德的理论了吗？其实不然。首先我们通过计算可以得出，物质的密度与距离的尺度无关，天体在大尺度上的分布非常均匀，天文观测也越来越证明了这一点。其次，通过伽利略变换（不同坐标系之间运动的变换）不难得出，在宇宙的任何一点都会看到，其它的星体在离该点远去，并且远去的速度和距离的平方成正比。这就象一个吹涨的气球，球上的任意两点都在相互离去，并且两点间的距离越大，它们彼此远去的速度就越快，但没有任何一点可以看作是膨胀的中心，事实上膨胀是非常均匀的。因此我们得出："在宇宙中没有特殊的位置。每一个观察者看到的现象都是一样的。"这被称作"哥白尼原理"。
（六）三种宇宙模型
宇宙在膨胀是20世纪最伟大的发现之一。这个发现使人类几千年的宇宙观在仅仅不到半个世纪的时间里，发生了翻天覆地的变革。这些变革的新观念几乎是让人目瞪口呆的。以我们现在的知识来观察发现宇宙膨胀之前的宇宙观，我们将会发现之间的对比犹如静态宇宙观比之于地心说一样强烈。人们惊讶地发现，这个看似熟识的宇宙依然陌生。

宇宙将如何膨胀呢？膨胀下去的结果又将怎样呢？

1922年，当爱因斯坦仍在努力寻求广义相对论中平衡宇宙收缩趋势的引力常数时，前苏联数学和物理学家弗雷德曼却在广义相对论的基础上提出两个观点，即不论我们在宇宙中的任何地点观察，也不论我们向宇宙中的任何方向观察，宇宙看起来都是一样的。他指出，仅从这两个观念出发，我们就应该预料到宇宙不是静态的。他基于此建立的宇宙模型与后来哈勃的观测完全一致。

弗雷德曼模型有两个解。一个解是当宇宙膨胀得足够快时，引力仅仅使膨胀变得缓慢一点，而不能使之停止，宇宙将永远地膨胀下去；另一个解是宇宙膨胀得足够慢，以致于引力使膨胀最终停止，宇宙将收缩，并在星际间的引力作用下发生大挤压。也可以认为有第三种解，那就是宇宙的膨胀速率刚好快到可以避免坍缩。它与第二类解的不同之处在于，第三类解的宇宙是平坦的，而第二类解的宇宙是象拱形一样弯曲的。第三类解其实就是第二类解的特例。这两种解的宇宙，模型都是无限的。

而在第一类解中，我们看到了奇异性——宇宙在空间上不是无限的，并且是没有边界的。在这里笔者并没有写错，这种宇宙情形可以用我们的地球来帮助理解。地球的表面是没有边界的，但体积却是有限的，只不过地球表面是二维的，而宇宙空间是三维的。第一类宇宙模型的引力是如此之强，以致于空间被折弯而绕回到自身。

这的确是一个科幻小说的好题材，一个人绕宇宙旅行一周后又回到了出发点。然而霍金告诉我们：“这实际上并没有多大意义，因为一个人还没有来得及绕一圈，宇宙已经坍缩到了零尺度。你必须旅行得比光波还快，才能在宇宙终结之前回到你的出发点——而这是不允许的！”

对于时间来说，这类解也是有限的，而且它有开端和终点，如同一条绳子的两端，也就是有边界的。我们在以后将会看到，当人们将广义相对论与量子力学结合起来的时候，我们就可以将这条绳子的两端连起来，使时间和空间都成为有限的，并且是无界的。

那么我们的宇宙符合哪一类解呢？这要由我们目前观测到的宇宙的平均质量密度来决定。我们现在观测到的所有星体质量的总和尚不到阻止膨胀所需临界质量的1%，即使将那些我们观测不到的星系间的暗物质考虑进去，全部的质量也未达到停止膨胀所需密度的十分之一。这些结果暗示着，我们的宇宙可能会以当前这种几乎是临界的速率永远地膨胀下去。
（七）相对论
鉴于以后的章节所涉及的内容，这里有必要用一点时间介绍一下相对论。

应该说后来一切不可思议的变革都是从“光速不变原理”开始的。

首先人们意识到光速是有限的。1676年，丹麦天文学家欧尔·克里斯琴森·麦罗发现，木星的卫星不是以等间隔的时间从木星背后绕出来，木星由于公转离开地球越远，则时间间隔就越长。他指出，因为木星离开我们越远时，光从木星发出后到达地球所需的时间就越长。这表明光不是无穷快的。

将近两200年之后，英国的物理学家詹姆斯·麦克斯韦于1865年提出著名的“麦克斯韦方程”。这个描述电磁波的方程成为光传播的真正理论。该理论预言，电磁波应以某一固定的速度运动。但牛顿力学已经摆脱了绝对静止的观念，速度是相对的，那么光速选择哪个参照物来测量呢？于是人们提出，在真空中存在一种弹性极好的物质——“以太”，光是以它为介质传播的。1887年的“麦克尔逊——莫雷实验”却打破了人们的这一假说。这两个人在地球自转的切线方向和垂线方向上分别对光速进行精确的测量。他们预想切向上测得光速将大于法向上测得的结果，而结果是这两个光速完全一样。

这之后，一位叫做阿尔伯特·爱因斯坦的瑞士专利局职员在他的一篇论文中指出，如果人们愿意抛弃绝对时间的观念，那么整个以太的概念完全是多余的。这一年是1905年，这篇论文就是赫赫有名的“狭义相对论”。爱因斯坦指出，当光从光源发出后，任何匀速运动的观察者都将测量到同样的光速。光速不变原理使原来人们从未怀疑过的绝对时间化为乌有，并进而得出运动尺变短，运动钟变慢的推论。

其实光速不变原理在生活中随处可见，只是人们从未意识到这一点。

譬如一个人朝我们掷一石块，那么石块离开手时的速率是最快的。如果光速与光源的速率可以叠加的话，石块出手时的光速应该大于在这之前的光速，因此我们将看到石块先出手，然后才看到投掷的动作。这显然与我们日常的经验不符。

至于光速为什么会有这种特性，爱因斯坦在思考了多年后说：“光很奇特，但我们并不必对其穷究，因为它就是那样一种物质。”

但狭义相对论与引力理论存在不相协调之处。引力理论指出：物体间的吸引力依赖于它们之间的质量和距离，这就意味着如果我们移动一个物体，另一个物体所受的引力就会立即改变，这种情形下引力效应就将以无限的速度传递，而不象狭义相对论所要求的那样，只能低于光速。

在经过多次失败的尝试之后，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，引力不同于其它的力，“它是由于物质质量的存在而发生的空间—时间的扭曲。”例如我们的地球，在广义相对论看来，它并非是由于引力的作用而沿着椭圆轨道运动，而是沿着弯曲的空间中最接近直线的被称为“测地线”的轨迹运动。（我们在地面上以直线行走，实际上走的是地球球体表面的一段弧，该弧所在平面穿过地球球心，这段弧称为测地线。这是地球表面最接近直线的轨迹。）这条轨迹是地球在不平坦的空间—时间中走过的最短距离。由于太阳质量所引起的空间—时间的弯曲，虽然在四维的空间中地球以直线运动，但我们在三维的空间中看起来却是沿着一个椭圆周在行进。

这就好比一架飞机在山区上空飞行，它虽然在三维空间中以直线行进，但它在崎岖的二维地面上的投影却是沿着弯曲的轨迹运动。同样，光也必须沿着测地线走，它也不能避免被引力场所折弯。在以后讲述大爆炸和黑洞奇点的章节中，我们将会对此有更深的体会。
(八)大爆炸
让我们回到弗利德曼的宇宙模型上来吧。所有弗利德曼的解都有一个共同的特点，那就是在大约150~200亿年前，宇宙中的所有星系都聚集在一点，这就是所谓的“大爆炸”。该时刻的宇宙密度及其空间——时间的曲率均为无穷大。换言之，弗利德曼宇宙模型所依据的广义相对论预言了宇宙中存在大爆炸奇点，在该奇点处，所有的科学定律全部失效——因为数学上无法处理无穷大数。如果大爆炸时刻前存在着事件，那么它们不会对大爆炸之后的事件造成任何影响，而依据大爆炸前发生的事件对大爆炸后作出判断的科学预见性也不存在。这就是说，大爆炸形成宇宙之前的时间是没有意义的，或者说，发生在大爆炸之前的事件不可能有后果，所以并不构成我们现在宇宙模型的一部分。

这个结论最初很难被大多数人所接受。宇宙和时间都有个起点，这不免带有神干涉的色彩。如同牛顿将最初使星体运动起来的“第一推动”归功于上帝一样，天主教抓住了这个机会，宣布“大爆炸”理论符合圣经。

许多人为了回避宇宙被创生这一问题，不断地试图寻找稳态宇宙的理论，但几乎每一种新的解释都存在着致命的问题。越来越多的证据显示，“稳态理论”必须被抛弃！

如果早期的宇宙物质彼此靠得非常近，那么早期的宇宙应该是异常炽热的。1965年，美国物理学家罗伯特·狄克和詹姆斯·皮帕尔斯提出，我们应该仍然能看到宇宙早期的白热，那是200亿年前宇宙炽热的辐射经过了漫长的旅行，恰好现在才到达地球，只不过由于宇宙的膨胀使这些光波如此厉害地被红移，以致于只能作为微波辐射被我们观察到。同一时间，在美国新泽西贝尔电话实验室的阿诺·彭其亚和罗伯特·威尔逊正在做一项精密的微波测量实验。他们接收到的噪声比预想的大许多。他们仔细地排除可能的干扰——包括天线上的鸟粪。他们预料，当探测器倾斜指向天空时，由于光线穿过了更厚的大气层，就将受到更多的干扰，噪声应比探测器垂直指向天空时更强。

然而实验发现，无论探测器朝什么方向，这额外的噪声都是一样的。这说明噪声来自大气层以外。这两位科学家无意中证明了弗利德曼关于在大尺度下宇宙各向同性、异常均匀的假设，而且更大的惊喜还在等着他们。他们听说了狄克和皮帕尔斯关于早期宇宙辐射的工作，立刻意识到自己已经找到了它——2.7K（绝对温度）的宇宙背景辐射！

他们二人也因此摘取了1978年的诺贝尔奖。

同样在1965年，史蒂芬·霍金后来的合作者，英国物理学家罗杰·彭罗斯证明了，在广义相对论的基础上，由于自身引力作用而坍缩的恒星的表面积和体积最终将缩小到零，此时物质的密度和空间——时间曲率均为无穷大，这就是我们以后将要谈到的另一个奇点——黑洞。

彭罗斯的结果只涉及到了恒星，而并没有涉及大爆炸奇点的问题。正在攻读博士学位的霍金读到了彭罗斯的关于“任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点”的定理，并很快意识到如果将该定理的时间箭头颠倒的话，应该得出如下结论：“任何类弗利德曼膨胀模型必须从一个奇点开始”。1970年，霍金和彭罗斯两人合作得论文终于证明了，如果广义相对论是正确的，我们这个膨胀着的宇宙过去必须存在着一个大爆炸奇点！

他们的工作遭到了相当多的反对。科学家们不喜欢奇点和宇宙、时间开端的结论。然而情绪毕竟无法胜过数学定理。随着实验和观测数据的积累，人们越来越清楚地认识到，宇宙在时间上必须有个开端。

霍金和彭罗斯的研究显示了广义相对论只是一个不完全的部分理论，它无法告诉我们宇宙是如何开始的，并且开始之前是如何的。奇点定理更进一步显示的是，在极早期的宇宙中曾有过一个时刻，那时宇宙的尺度是如此之小，以致于人们不得不考虑另一个伟大的部分理论——描述小尺度效应的量子力学。正如霍金自己所说：“现在几乎每个人都相信宇宙是从大爆炸奇点开始的，而我却改变了想法，并试图说服其他科学家：事实上在宇宙的开端并没有奇点——只要考虑量子效应，奇异性会消失！”
（九）黑洞
在用量子力学考虑大爆炸奇点之前，我们先看看另一个在广义相对论框架下的奇点——黑洞。

我们都知道逃逸速度。星体所产生的引力场（和星体的质量及密度有关）越大，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某个极限，使以光速运动的物体也不能挣脱它的束缚而逃逸，那么我们将无法观察到这个星体，仅能感受到它的引力效应。。这就是在200年前对黑洞的最初定义。

实际上，对于光不能象对待普通物体那样考虑，因为普通物体在上抛的过程中速度逐渐变慢，并最终落回地面，而光是以不变的速率前进的。因此必须以广义相对论的观点重新解释黑洞现象，也就是：

光由于强大的引力场造成的空间——时间扭曲，而被强烈地折弯并回到星体表面，不能从其表面逃逸。

黑洞是一个空间——时间区域，它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离，这个边界称为“事件视界”。它如同一个单向的膜，只允许物质穿过视界并落到黑洞里去，但没有任何物质能够从里面出来！

那么黑洞是如何形成的呢？让我们先从恒星的生命周期说起。宇宙早期的星云物质——绝大部分是氢的极其稀薄的气体——由于自身的引力作用而收缩成恒星。由于收缩过程中气体原子相互碰撞的频率和速度越来越高，导致气体温度上升并最终使恒星发光。当温度如此之高，以致于氢原子碰撞后不再离开而是聚合成氦，这被称为“热核聚变”。聚变释放出的巨大能量使恒星气体的压力进一步升高，并达到足以平衡恒星内部引力的程度，于是恒星的收缩停止下来，并在相当长的时间里稳定地燃烧。当恒星耗尽了这些氢之后，由于核反应的减弱而开始变冷，恒星气体的压力不足以抵抗自身引力的而导致恒星重新开始收缩。恒星中的氦元素发生聚变形成碳或氧之类较重的元素。但这一过程并没有释放太多的能量，恒星继续收缩。

诺贝尔奖得主，印度裔美籍科学家强德拉塞卡在1928年指出，由于“泡利不相容原理”（在同一轨道不存在两个运动状态完全相同的粒子）的作用，当恒星进一步缩小时，物质粒子靠得非常近并且必须严格地遵守不相容原理，因而粒子之间发散的趋势平衡了恒星自身的引力，使恒星不再缩小。如果这个不相容原理引起的排斥力是电子间产生的，那么恒星将坍缩成为一颗半径为几千英里，密度为每立方英寸几百吨的冷恒星——“白矮星”。科学家们已经观测到大量的白矮星。坍缩的另一种形式为“中子星”——它上面的的电子早已被引力拉到质子上，因此这种恒星全部由中子组成，并靠中子间不相容原理引起的排斥力抗衡自身引力以维持“体形”。它们的半径只有10英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。中子星同样已经为观测所证实。

强德拉塞卡同时计算出，当恒星质量大于太阳质量的一倍半时，即使不相容原理也无法阻挡恒星的继续坍缩，恒星将无休止的收缩，直至体积为零！此时的物质密度和空间——时间曲率将无穷大。所有的科学定律将在此失效。这就是我们前面所提到的“黑洞奇点”。

事实上存在着这样一种情形：超过强德拉塞卡极限的恒星在耗尽自己的燃料时，它们可能会在被称为“超新星爆发”的巨大爆炸中抛出大量的物质，使自己降到极限质量之下从而避免坍缩。但这不可能总是发生，即使总是发生，那么如果将额外的物质加在白矮星或中子星上，结果又将这样呢？

科学家们感到震惊，他们无法相信这一理论并对它怀有敌意。他们纷纷撰文试图证明恒星的体积不会收缩到零，这其中也包括爱因斯坦。

但是，史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯于1965和1970年的研究指出，如果广义相对论是正确的话，那么在黑洞中必然存在着无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这个奇点和大爆炸类似，是一切事件的终结之处，科学定律可预见性都将失效。

我们用广义相对论来描述和理解一下黑洞。当恒星坍缩时，恒星发出的光波被强烈的红移。当恒星收缩到它的临界半径时，它发出的引力场是如此之强，使得光波被散开到无限长的时间间隔内。在黑洞外的观察者则会看到，恒星发出的光越来越红，越来越淡，最终再也看不到这颗恒星了。这是一个名副其实的黑的“洞”！

霍金留下的四个预言，你觉得会实现吗？

虽然霍金已经去世了，但是他创造的成就和留下的预言却是永恒存在的，尤其是那些让人难以置信的预言至今都疑团重重。所以今天我们探讨的话题是：四个霍金留下的预言，一起来了解一下吧。

预言一，机器起义。科技的高速发展着眼于目前来说是很有益的事情，但是长远来看却是人类加速自我灭亡的陷阱。霍金认为，当人工智能发展到一定程度的时候，就极有可能像人类一样拥有自我意识和实现自我进化，这时就会反客为主，谋权篡位，摆脱人类掌控，从而操控人类。但最为危险的是，它们会产生欲望、野心，甚至对人类发起灭族之战。而人类还无法预测它们的潜力，所以机器起义就会成为一个严重的问题。

预言二，人口过剩。现在越来越多先进有效的科学和医学研究成果出现了，这意味着人类的预期寿命将会被延长。因此，早在2010年时，霍金就预言人口将会出现拥挤和过剩的现象。如果以目前的人口增长速率，在2100年时人口就会达到110亿人，到那个时候地球就不能再容下如此多的人了，结果是地球不能再被继续居住，唯一避免死亡的机会就是殖民到其他星球，否则只能坐以待毙。

预言三，小行星撞击。在地球出现生物的历史上，发生了无数次小行星的撞击事件。虽然目前还没有可怕的撞击，但却难保未来不会出现致命的一击。而斯蒂芬霍金也坚信，小行星终有一天会落在地球上，并带来最重大的后果，就是直接摧毁现代文明的危险，即使现在还无法确定发生的时间，但几乎可以确定会发生，至于具体时间，现在的科技还无法预测。

预言四，全球变暖。霍金曾说，全球变暖是地球上生命最大的威胁之一，而温暖的冬天将是最为明显的一个表现。当全球变暖达到临界点，变得不可逆转时，危险就会接踵而来。地球会成为一个巨大的温室，温度甚至会飙升到250摄氏度，酸雨和雾霾也将成为常见的天气现象，这是大气层的热量和水分都会被过度蒸发，一直持续到海洋完全消失，因此人类也无法正常生存了。关于霍金的这些预言，你觉得都会实现吗？