邂逅霍金的霍金生平

史蒂芬·霍金（1942－）

史蒂芬·霍金是英国物理学家，他用毕生精力研究黑洞普通物理学定理不再适用的时空领域和宇宙起源大爆炸原理。他这本销售量达2,500万份的畅销书对量子物理学和相对论作了大量介绍。

本世纪享有国际盛誊的伟人之一。现为剑桥大学的卢卡逊数学讲座教授，他是当今世界上继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。

他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。除此外，他撰写的《时间简史》销售量达2,500万份，该书对量子物理学和相对论作了大量介绍。

1942年1月8日出生于英国的牛津。

1962年

在牛津大学完成物理学学位课程，搬到剑桥大学攻读研究生，英国天文学家福雷德·霍伊尔（1915－），霍金青少年时代心目中的一位英雄，是这里的天文学教授。霍金被诊断患有运动神经元疾病。

1965年

被授予博士学位。他的研究表明：用来解释黑洞崩溃的数学方程式，也可以解释从一个点开始膨涨的宇宙。

1970年

霍金研究黑洞的特性。他预言，来自黑洞的射线辐射及黑洞的表面积永远也不会减少。

1974年

被选为皇家学会会员。他继续证明，黑洞有温度，黑洞发出热辐射，以及气化导致质量减少。

1980年

任剑桥大学数学鲁卡斯教授（艾萨克·牛顿曾任此职）。

1988年

出版《时间简史》，成为关于量子物理学与相对论最畅销的书。

1996年至今

继续在剑桥大学工作。

2001年

10月又一部力作《果壳中的宇宙》出版发行

2004年7月

霍金修正了自己原来的“黑洞悖论”观点错了，信息应该守恒。7月21日，在爱尔兰都柏林举行的“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上。

2007年

霍金与露西吉高佛尔德合著的儿童科幻小说《乔治通往宇宙的秘密钥匙》于9月6日率先在法国出版发行。这本书是霍金写的第一本儿童读物，霍金在书中向儿童解释了自己关于时间和宇宙方面的学说。

2009年8月12日 获得自由勋章

宇宙中的星系数量多到难以计数，而银河系只是其中之一，在我们看来无比庞大的太阳系实际上只是银河系中一个毫不起眼的恒星系统，而银河系中的恒星数量多达数千亿颗。

无论是太阳系这样的恒星系，还是银河系这样的星系，它们既有静止的一面，也有运动的一面，它们即是稳定的，同时又是变化的。在我们看来，太阳系中的八大行星、矮行星以及小行星等天体都围绕太阳有序运行，而作为太阳系中唯一的一颗恒星，太阳是岿然不动的，这就是静。但实际上太阳也是运动的，而且处于高速运动之中，太阳围绕银河系的中心运行，轨道速度到达了每秒217公里，太阳系中所有的天体都跟随太阳进行相同的运行，整个太阳系大约每25亿年便能够绕行一周，这就是动。

八大行星围绕太阳运行，看似亘古不变，但事实上以前的太阳系行星数量以及运行轨道都与现在截然不同，而且未来随着太阳燃料的耗尽，引力的变化，太阳系天体的数量以及运行轨道也会再次发生变化，这就是太阳系的稳定与变化。

一个小小的恒星系是如此，更为庞大的星系同样也是如此，往大了说，宇宙空间本身处于膨胀之中，所以宇宙中的星系以及星系之中的天体都会不断相互远离；往小了说，拥有数千亿颗恒星的星系具有强大的引力，而这种引力会使得星系之间彼此产生影响，在引力的影响之下，星系的运行方式和运行轨迹都会发生变化，甚至可能会彼此靠近，或是穿插而过，或是相互融合。宇宙中很多庞大的星系最初都只是一些独立的个体，后来不断兼并融合才组成了更为壮观的星系系统。

在宇宙中，星系之间的吸引融合时刻都在发生着，我们所在的银河系自然也不能免俗，它正在与另一个星系相互靠近，那就是仙女座星系。

仙女座星系是一个比银河系更为庞大的星系，它的规模是银河系的2倍。仙女座星系虽然可以算作是银河系的邻居，但以人类的尺度来衡量，两者之间还是相距甚远，银河系与仙女座星系的距离达到了256万光年。

两个相距256万光年的星系会有什么关系呢？难道在如此之远的距离上，两者还能够相互吸引吗？是的，拥有数千亿颗恒星的星系引力是极为强大的，即使相隔数百万光年，它们仍然在相互的引力作用之下彼此靠近，它们距离虽远，但相互靠近的速度很快，根据现有的观测，两个星系相互靠近的速度达到了每秒钟220公里。

以这个速度来计算，银河系与仙女座星系相遇的时间应该在39亿年之后。

这个只是最初的计算，后来经过更为精确的计算，科学家们发现，银河系与仙女座星系虽然在彼此的引力作用之下相互靠近，但并不会直接相遇，它们会先擦肩而过，然后再转而掉头完成邂逅。银河与仙女无疑是幸运的，要知道，很多爱侣便是因为一次擦肩而过而蹉跎了终生，但银河与仙女没有，它们回头了，不过这一次回头就把相遇的时间推后了6亿年，所以银河与仙女真正相遇的时间应该是在45亿年之后。

两个拥有数千亿颗恒星的庞大星系拥抱在一起，会不会产生恒星大碰撞的宇宙奇观呢？在人类的认知里，太阳这样的恒星是极为强大的，两颗恒星相撞，所爆发的能量自然是巨大的，视觉效果自然也是无比壮观的。

遗憾的是我们所幻想的恒星大碰撞并不会真的发生，因为恒星之间的距离是非常遥远的，即使是与太阳最近的比邻星，也与太阳相距达到了422光年，科学家经过计算发现，银河与仙女相遇后，恒星发生碰撞的概率无限趋近于零。

其实恒星大碰撞并不是星系相遇后最令人期待的景观，最为壮观和有趣的应该是两个星系中心黑洞的相逢。在每一个星系的中心都有着一个星系级的黑洞，这些星系级黑洞不同于由大质量恒星坍缩而成的恒星级黑洞，它们质量庞大，可以主导整个星系的运行。银河系中心黑洞的质量达到了太阳质量的431万倍，而仙女座星系的中心黑洞质量更为庞大，如果二者相遇，它们必然会在彼此强大的引力作用之下相互靠近，如果相撞，必然会产生巨大的冲击，所释放的引力波将横贯整个星系，当然，更大的几率是它们并不会直接相撞在一起，而是相互绕行，在漫长的宇宙岁月中缓慢靠近。

黑洞，黑洞这个词我第一次见到是在8岁的时候，有一天我妈给我买了一套带有硬纸壳包装的书，当时觉得逼格超高，是中国少儿出版社出版发行的1980年版的10万个为什么？

属于中国出版史上的著名出版物里面，每一段文字都是当时中科院的院士们写的。拿到这本书以后，我第一本翻开的就是天文，于是宁静温暖的夏天，懵懂的我与黑洞这个名字第一次邂逅。

黑洞是现代广义相对论中存在于宇宙空间中的一种天体，时空展现出引力的加速度极端强大，以至于使得视界内的逃逸速度大于光速，是一个任何粒子或电磁辐射包括光都无法逃脱逃离的区域或者说是天体。

早在1784年11月，时任剑桥学监的约翰米歇尔给物理学家卡文迪什写了一封信，信中就提出过有巨大的连光都无法逃逸的天体，但是它当时用的是 dark star黑暗之星这个词来形容。

在20世纪初期的物理学家使用的词是引力坍塌的物体来形容黑洞。美国物理学家罗伯特亨利迪克在1960年代以一个恶名昭彰进去就出不来的监狱来比喻这种天体，这个监狱被称为加尔各答黑洞，黑洞这个词正式新鲜出炉。

随后生活杂志和科学新闻杂志在1963年的出版品中使用了黑洞这个名词，而这个词真正的发扬光大是在物理学家约翰惠勒在1967年12月的讲座上，有一位学生再一次的提出了黑洞这个名词，当时惠勒觉得黑洞这个词简洁并具有广告价值，于是予以采用并成为了术语，使得黑洞这个词迅速的被推广。也因此有人误认为是为了提出了黑洞这个名字。

其实每个至暗的黑洞都曾经在宇宙中光芒万丈，曾经轰轰烈烈的展示过其生命的灿烂与光辉。我们知道大部分的恒星内部聚集着大量的氢原子，核聚变将氢原子变成了氦原子，并释放出了极大的能量。

正是这股能量以热压辐射的形式存在，来对抗着巨大的引力，这两股力量之间刚好维持着一个平衡，支撑着恒星不会坍缩。因此只要核心持续的核聚变，恒星就能够维持足够的稳定度。

而当核心的燃料耗尽恒星寿命终结的时候，恒星就会因为冷却而内部压力下降，进而导致在引力的作用下坍缩。而对于那些比太阳的质量大很多的恒星，核心内的热能和压力可以使它们合成更重的元素，最终可能合成铁原子。

但是值得注意的是产生出铁原子的过程不产生任何的能量，当铁核在大质量的恒星中央累积到一定程度后，辐射能与重力之间的平衡就瓦解了，出现了铁壳坍缩，就在几千分之一秒内恒星产生自爆，并以1/10的光速移动，这个过程就是恒星的死亡过程，即超新星爆发。

超新星爆发后引力坍缩形成了一个接近史瓦西半径的球体，史瓦西半径是任何具有质量的物质都存在的一个临界半径的特征值。

1916年德国物理学家史瓦西运用爱因斯坦的广义相对论计算得出了一个结论，这个理论直到1971年被证实，当物体的实际半径小于史瓦西半径的时候，这个物体就变成黑洞，太阳的史瓦西半径约为3000米，我们地球的史瓦西半径只有9毫米，换句话说，如果你能够把地球压缩成直径18厘米以内，地球就变成黑洞。好像有点跑题，接着刚才说引力坍缩形成的一个接近史瓦西半径的球体以后，原子核的排列还在，原子的结构也没有被破坏，但电子都被挤压到了原子核里面，质子和电子被挤到一起就成为了中子，然后整个坍塌结构停止这个状态，也就是中子型。

而此刻如果中子星的质量超过了太阳质量的3~4倍以上，也就是奥本海默沃尔科夫极限，中子星还会继续在引力的作用下坍缩，当缩小到史瓦西半径以内的时候，原子的结构就会彻底破坏，此时已经没有什么力量可以与眼力进行抗衡了，所有的物质都会向着中心点疯狂地移动，最终形成体积无限小且密度无限大的天体黑洞。

引力坍塌并不是唯一能形成黑洞的过程，黑洞理论上可以在达到足够密度的高能碰撞中形成，但是黑洞的质量必然有一个下限，从理论上预期边界应该在普朗克质量附近，但是量子引力的发展表明普朗克质量可能非常低，这可能将使微型黑洞在宇宙射线撞击大气层时发生的高能碰撞中产生，或者有可能在CERN（世界上最大的粒子物理实验室）的大型强子对撞机中产生，

虽然欧洲核子研究组织，是世界上最大型的粒子物理学实验室，拥有世界上最大能量最高的粒子加速器LHC，中文名欧洲大型强子对撞机，就在2019年8月初，CERN宣布LHC的下一代高亮度大型强子对撞机项目的升级工作已经开始进行，预计从2026年开始正式运行，设备预算是955亿瑞士法郎折合人民币大约67亿，即使LHC的亮度会提高5~10倍。

说回刚才碰撞产生的微型黑洞，有很多人担心撞出黑洞地球是不是就没了？其实不会。即使可以形成微型黑洞，科学家们预计也会在大约10的-25次方秒内蒸发，不会对地球造成任何威胁，如果你正在看这黑洞，你看到的是他的事件视界，正如广义相对论所预测的，质量的存在是时空变形，使粒子的路径朝向质量弯曲的黑洞的事件视界，这种变形强烈到没有任何的路径是远离黑洞的，任何东西想要通过这个事件逃逸，速度都必须超过光速。

爱因斯坦的相对论指出，在任何惯性坐标中，物质的速率都不可能超越真空中的光速，所以这就是不可能的。也就是说包括光在内的一切物质都无法从事件视界到达外部，所以你看到的只是一个不会反射任何光的黑暗球面，这就是洞黑的部分。而在史瓦西半径以下的天体的任何物质，也就是所有进入到事件视界范围内的一切物质，都塌陷成一个质量无限大，密度无限大，面积无限小的一个点，也就是引力奇点。

在奇点处我们目前认知的空间时间和物理定律都不再适用，根据广义相对论所描述，起点是一个时空取率变的无限的区域，就像是一个永远饥饿吞噬一切的洞一样，这就是黑洞洞的部分。

黑洞竟然不能被看见，科学家们是怎么发现的呢？

我们虽然看不到黑洞事件视界内的东西，但是科学家们通过观察和研究黑洞周围的现象发现黑洞的周围遍布着气体和灰尘形成的颗粒，这些颗粒以大约1/10光速围绕着黑洞进行高速旋转，如此高速的运动会导致持续不断的爆发辐射，并产生出超高的亮度，我们称之为吸积盘，而越接近黑洞的事件视界速度就会越快，黑洞所必须承受的越多，他的视界的范围就会越大，在其周围形成的吸积盘就会越大越。

因此最大最亮的吸积盘中心被认为有着超大质量的黑洞存在，这种大质量的黑洞几乎存在于每个超大星系的中心区域，比如我们的银河系，德国天文学家们曾于2008年证实在银河系的中心与地球相距于26万光年的人马座a就是一个超大质量的推动。

另外黑洞并不是像吸尘器一样，把周围的物质都吸到事件视界内，当物质靠近黑洞边缘的时候，物质周围的时空被扭曲成了曲率无限大，等于说物质所在的范围也成了视界，相当于黑洞的视界扩大将物质吞噬进去。

举个例子，如果我们把太阳换成一个同质量的黑洞，根据刚才我们所讲到史瓦西半径，黑洞的直径大概是在6000米左右，但是此时太阳系的行星并不会被太阳吸进去，而是依然会围绕着太阳的黑洞公转。当然人类会被冻死。

在上个世纪60年代的时候，美国为登月做准备，发射了一系列探空火箭进行观测，在1964年的一次火箭弹道飞行时发现了奇怪的天体，发现它是从地球观测到的最强的x射线源之一，正是天鹅座X-1，天鹅座X-1距离地球大约6070光年，其质量大约是太阳的148倍，它的事件视界半径约为26公里，是最先被广泛承认为黑洞的候选星体。

之所以称为候选星体，是因为目前由于黑洞观测有实际的困难度存在，宣传某个物体是黑洞，其并不能全面的验证黑洞所有的特征，无法满足专业天体物理的数据要求，所以天文数据库当中并没有黑洞，严格来说只有黑洞的候选形体，但我们为了方便，现在默认都叫黑洞，后来确定天鹅座X-1，正是一个黑洞，也是人类发现的第一个黑洞