黑洞物理學——霍金

1942年1月8日，英國理論物理學家霍金（Stephen William Hawking，1942.01.08－ ）的出生。霍金的父親是研究熱帶疾病的醫學研究員，母親是物理學家的女兒。他們都畢業於牛津大學，為霍金及其兄妹提供良好學習環境。
1952-1957年，霍金在聖奧爾本斯上學，對課堂所學遊刃有餘。三門功課的成績都是全校最優,同時表現出對數學的理解和天賦；他對化學也很有興趣；還寫出了獲獎的神學論文。1958年，他與同學、數學老師一起設計和製造了一種原始計算機，名叫“邏輯旋轉式計算器（LUCE)”。
1959年，霍金獲得了在牛津大學獎學金，父親希望他將方向確定在醫學和生物，但他根據自己的興趣學了數學和物理。第一年旁聽了數學課研究班，通過了數學學院的考試。第二年結束，他獲得了牛津大學的物理獎——布萊克威爾·布克物理學習優秀獎，還作為舵手參加了院系間的划船比賽。
離開牛津後，霍金繼續在劍橋大學應用數學和理論物理系學習了四年。此時，相對論和量子理論是現代物理兩個相互獨立的主要分支，和牛頓的經典物理學還作為物理教學的基礎。霍金在丹尼斯·希亞馬的指導下，開始研究宇宙學和廣義相對論。

霍金沒有因健康狀態停止對學術的求索，也沒有停止個人生活的追求。1965年7月，過了醫生預計生存年限的霍金還結婚了。病中的霍金活動僅限在輪椅上，說話的能力也在不斷退化，但他每天從劍橋校園附近租的房子到學校去學習。以病殘之軀堅持研究，並有着驚人的學術生命期，也更令他受到普遍的尊重。
霍金對理論物理學中的貢獻受到廣泛的讚譽。有人甚至稱他是“愛因斯坦之後最偉大的理論物理學家”。他最著名的工作是有關黑洞的研究。所謂“黑洞”是這樣一種特殊天體，它的邊界（視界）是封閉的，外界所有的物質和輻射都可以進入，而邊界內的任何物質都跑不出來。美國物理學家惠勒用“黑洞”來描述高密度的質量，重力場巨大以致策略或包括光的能量，都無法逃逸。
很快地，霍金成了宇宙學研究圈子的活躍分子。1965年，在倫敦舉行的皇家學會會議上，劍橋大學宇宙學教授弗雷德·霍伊勒和他的研究生雅揚特·納爾利卡作了關於宇宙穩定狀態理論的報告，霍金提出了質疑。他觀察到，有一個等式的數學量是離散的，不能相加進最後的有限總量中。他發表在《倫敦皇家學會報告》上的論文《論霍伊勒-納爾利卡策略理論》總結了他提出質疑的數學發現，受到同行的好評。
1966年，霍金獲得物理學博士學位。彭羅斯（Roger Penrose，1931－）用數學理論來解釋空間-時間的異常值。這些異常位於黑洞中心，是當時間-空間曲率無限大時的點。霍金把彭羅斯的奇點理論擴大到解釋整個宇宙。他的博士論文《宇宙學中異常值的出現》於次年分3部分發表在《倫敦皇家學會報告》上。未發表的論文《異常點和空間-時間的幾何》則是對博士論文的繼續研究，獲得了1966年劍橋大學亞當斯獎。
博士畢業後，霍金獲得劍橋大學一個研究員的職位。1968年，他加入大學天文研究所，和彭羅斯合作一起，繼續研究宇宙的異常點和起源。他們拓展了拓撲學和幾何學的方法來計算廣義相對論。共同證明了如果廣義相對論是對宇宙的精確描述，那麼在時間開始的時候，必然有一個奇點。霍金-彭羅斯理論用數學方法證明了大爆炸理論，即宇宙開始於一個黑洞的爆炸。1970年，他們在《倫敦皇家學會報告》上發表論文《重力塌陷和宇宙學的異常點》，這是對黑洞理論的重大貢獻。

1973年，霍金離開天文研究所，成為劍橋大學應用數學系和理論物理系研究人員。同年，他和南非宇宙學家喬治·伊利斯一起合著了《大規模空間-時間的結構》，向相關專家介紹古典宇宙學理論，雖未包括黑洞理論的最新發現，銷量卻高達1.6萬本，創造了劍橋大學出版社歷史上物理學術類書的銷量之最。
霍金用電子理論、廣義相對論和熱動力學的規則來研究、重新思考了他早期提出的黑洞理論，他成功地證明了一個令人驚訝的結論：黑洞在施放一種輻射（後來被命名為“霍金輻射”），這意味着逃逸的重力和能量最終會導致黑洞的萎縮和消失。這一發現和他早期的黑洞光滑水平線的表射程永遠不會減少的觀點相矛盾。這個研究結論他發表在論文《黑洞非黑》論文裡，獲得了1974年重力研究基金獎。霍金在發表在《自然》上的論文《黑洞擴張？》裡，更加完整地介紹了這一證明，此論文被希亞馬稱為歷史上最美妙的物理學論文之一。皇家學會也因而授予他研究員資格。
霍金的研究向一個明顯的矛盾前進：被稱為“信息悖論”。根據霍金的理論，從黑洞逃逸的射線“無毛”，意思是不攜帶任何關於黑洞內任何物質信息，所以無法分辨它是否來自另一個有着同樣重力、電荷和角動量的黑洞。當足夠多的輻射從黑洞逃逸後，黑洞會坍塌，關於黑洞的信息會消失。這個悖論和物理學的基本原則——宇宙演化過程中信息會被保存下來——是矛盾的。1976年，霍金在論文《重力塌陷可預測性的瓦解》中，進一步探討了信息悖論，他認為，密集重力導致的黑洞坍塌產生了奇點，在這些點上量子理論的規律是失效的。他的信息悖論被很多物理學家批評，因為這意味着科學不再能夠完全知曉過去、預測未來。
對於黑洞的存在，早在18世紀末，拉普拉斯就根據牛頓的引力理論做出了預言。現代意義下的黑洞模型是施瓦西、奧本海默等人根據愛因斯坦的廣義相對論做出的。認為超過一定質量的宇宙物質在自身引力作用下會變得越來越緻密（塌縮），當塌縮到引力半徑以內時，就成為黑洞，黑洞內在無任何物質能夠逃逸。
1974年，霍金在不違背原有理論情況下，根據量子理論提出黑洞並不完全“黑”，不但會對外發射物質，甚至會出現劇烈爆發。這為實際觀測黑洞存在提供了新的依據。
1980年，霍金被劍橋大學任命為第17屆盧卡斯數學教授——牛頓和一系列傑出數學家曾擔任過的職位。他發表了題為《理論物理學的終結已經臨近了嗎？》的就職演說，預測在20世紀末期，在物理學上，包括現代物理學的兩大支柱——量子理論和廣義相對論後的宏大理論後——不會再有大的發現了。
霍金在其職業生涯中不斷提出值得爭議的話題。1981年，教皇科學院於羅馬舉行的梵蒂岡會議上，霍金提出了他的“無界”猜想，討論了它的宗教意味，引起了新的爭論。他和美國物理學家詹姆士·哈爾特勒提出，時間和空間在一定程度上是有限的，但卻沒有科學規律不可解釋的邊界或異常點，他們的猜想在宇宙的諸多可能性中，我們現在的宇宙是最高概率的，沒必要去相信造物主的存在。他們的猜想在宗教界和科學界都引起了激烈的批評。
1988年，《物理學評論》上發表了他的論文《空間-時間的蟲洞》。1991年，《物理文稿》發表了他的論文《蟲洞的阿爾法參數》。包括1989年的文章《宇宙線構成的黑洞》等弦理論的論文發表在《物理學》上。1995年，《物理評論文稿》發表了他的論文《宇宙線上黑洞電子偶的產生》。
1983-1988年，他參加了一項解釋現代宇宙學概念的活動，比如大爆炸理念、黑洞、和霍金輻射等 ，以使普通的非專業讀者也能理解。1994年，霍金和彭羅斯一起在劍橋的牛頓研究的做了題為“空間和時間的性質”系列講座。
2004年7月在愛爾蘭都柏林的國際廣義相對論和地心力力會議上，霍金宣布，他解決了“信息悖論”的問題，他又一次顛覆了以前的觀點，證明了在黑洞形成和蒸發過程中，信息不會丟失。他最終得出了黑洞的光滑水平線包括量子波動，該波動能使黑洞信息逐步逃逸的結論。他繼續尋找着這一論斷的數學證明。
霍金在科學上獲得的巨大成功，使他在為殘疾人的代言人。1979年，皇家殘疾和復原協會提名他為“年度人物”。20世紀80年代，他分別說服了劍橋大學、布里斯托大學為殘疾學生修建學生宿舍樓。1996年，他為《給殘疾人的計算機資源》作了序。
工作在宇宙學前沿的同時，他寫了近200本書和論文，輔導了30個博士生的博士論文。
〖科學公園按語〗 ：

《時間簡史》

自20世紀80年代中期起，為了把數學和科學思想介紹給普通讀者，霍金在寫科普書籍上花了很多時間。《時間簡史：從大爆炸到黑洞》是他五年的工作成果。此書被譯成40種語言，銷售一千萬冊，連續四年居《紐約時報》《星期天時報》的暢銷書榜。1991年，此書被製作成電影。

《時間簡史》出乎意料的受歡迎，使霍金成為媒體公眾人物，不斷有媒體邀請他做公共演講和討論，並建議他出版續集。1992年，他出版了該書的後續本《斯蒂芬·霍金的時間簡史：讀者伴侶》。
1993年，他編輯了由14篇宇宙學論文組成的文集《黑洞和嬰兒期的宇宙》，使外行讀者能看懂現有的理論。2001年，他的著作《宇宙是一個堅果殼》簡單易懂地解釋了科學思想，此書獲得了英聯邦非幻想類小說的最高獎：阿文提斯圖書獎。
2002年，他出版了《站在巨人的肩上：物理和宇宙學的偉大著作》，收錄了尼克勞斯·科布尼克斯、開普勒、伽利略、牛頓、愛因斯坦等科學偉人的作品選段、生平，以及霍金對他們在物理學和宇宙學上貢獻的解釋。
2005年，他出版了著作《上學創造了整數，改變歷史的數學突破》，重新闡釋了31個數學思想史上標誌性的思想、17個數學家的生平事跡，以及他對這些成就影響的評論。同年，他還出版了《時間簡史》的後續簡易版本。

輪椅上的霍金
霍金一開始並不願意使用輪椅，也許是因為內心不承認自己的殘疾。但後來病情加重而不得不使用後，他又從中獲得了樂趣。特別是有了電動輪椅後，除了駕駛技巧不錯，他還超級膽大。在大街上以最高速行駛，而助手們只好跑着試圖為他護航。
霍金的研究生們都練就了一番躲避他輪椅的本領，因為當他認為哪些言論愚蠢或被惹惱了時，他會駕着輪椅輾別人的腳趾頭，甚至有時以此為樂。他的學生說：“霍金最大的遺憾是從來沒有碾過撒切爾夫人。”——嗯，如果這真是他的理想，那麼他再也不可能實現理想了。