霍金到底偉大在哪兒？想跟大家慢慢說一說…(組圖)
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今天，史蒂芬霍金先生離我們而去了。
他，或許稱得上是當代社會最著名的物理學家。
每每提起他的名字，
不論誰都會脫口而出評價一句“偉大”、“天才”、“了不起”…
但對於大部分人來說，
“霍金到底偉大在哪兒？
他為何而出名？”
卻是一個很難回答的問題。
是因為他年紀輕輕就身患漸凍症卻還依然堅守在科研前線的不屈精神？
他那副來去自如還能發出機器人嗓音的神奇輪椅？
還是他曾在《辛普森一家》、《星際迷航》、《生活大爆炸》等著名影視作品中犀利的客串？
還是那本《時間簡史》？？
這一切，這可能都是不少常人對霍金的了解，
然而，
這一切，似乎都太淺顯片麵了……
那麽，霍金的學術成就呢？
是他發現了黑洞麽？還是他創立了大爆炸理論？又或是他告訴了我們時間的真正意義？
不，他沒有發現黑洞，大爆炸理論最初也不是他創立的，他也沒告訴我們時間真正的定義...
有人認為他在現代物理學的研究進展中發揮了舉足輕重無可替代的作用，世界欠他一個諾貝爾獎。也有人覺得，他其實名不副實.....
然而他仍然是一個偉大的物理學家，
我想借這篇文章的機會，給大家慢慢解釋一下，
霍金，緣何偉大。
下麵的文章裏，可能有些部分有些學術，可能有部分難懂，然而花一點時間真正讀一遍，成為一個真正了解霍金為什麽偉大的人，
這，不是更好麽？
（我不是學物理的，我隻是盡我所知的去解釋這些知識，如果其中有錯的地方，我盡量改正）
這篇文章的一切，
都要從我們該用什麽理論解釋這個世界的一切說起.....
我們要怎麽解釋這個世界上發生的一切？
一切的發生都是為什麽？
古代的哲學家和物理學家們，其實一直在嚐試解釋這個問題。
在這樣的環境裏，我們對於世界的問題分成了兩類：
1. 能解釋的；
2. 不能解釋的
我們通過自己的想法去解釋生活中發生的各種現象。
而不能解釋的那些，通常會歸於哲學或者神秘主義。
在早期的年代，物理學在人類的知識體係中一片混沌。甚至都沒能獨立成為“物理”這門學說。
在上千年前的那個年代裏，了解這個世界，解釋這個世界，我們依靠的，是實驗。
我們也在不同的實驗中，不斷修正著我們對世界的理解和認知。
公元前300多年，亞裏士多德通過觀察羽毛等輕的物體和石頭等重的物體的下落的不同速度，得出了 “物體下落速度和重量成正比例” 的理論結果...
這樣的理論統治了西方世界1900多年，在教會勢力的支持下,沒有人敢對此提出疑問。
直到16世紀，出現了一個敢於反對的人。
他，叫伽利略。
在那個斜塔上，他做出了一重，一輕兩個鐵球同時落地的實驗。
用實驗告訴了我們，亞裏士多德這統治了世界1900多年的理論是錯誤的....
這便是我們早期的物理學家了解這個世界的一種實驗方法：通過觀察現象和自己實驗現象來解釋世界的實驗物理學。
伽利略、開普勒、惠更斯....
在這個年代裏，有一批又一批的科學家，把他們觀察的目標對準了宇宙。 嚐試通過對宇宙的觀察，嚐試解釋天體的運行，解釋更多的天文現象。各自都有了各自的一套理論進展。
然而，
這樣的物理，是有局限的。
我們觀察到的範圍很有限，我們能實驗的範圍也很有限。
通過觀察和實驗，我們解決了很多“是或者不是”，“有或者無”之類定性的問題。 卻解決不了很多“有多少”之類定量的問題....
直到那一天，
一個人橫空出世，
他叫牛頓。
F = m a
這可能是我們初中物理學過的一個最簡單的公式。 這可能確是那個年代最偉大的一個突破....
他的偉大不但在於他試驗和總結得出了這個公式，更關鍵在於他認為f=ma適用於世界上的所有物體。
小到一個蘋果，皮球。 大到宇宙的太陽，和星係...
這一切事物的運行，都可以用一個最簡單的公式F=ma來解釋...
在F=ma之上，牛頓用數學和各種公式設立了一整套物理體係，他把力，速度，加速度，能量，動量等等各種概念都嚴格的定義了出來，用數學的方式找到了它們之間的關係...
牛頓還通過了大量實驗，證明了任何兩物體之間都存在著吸引力，總結出了萬有引力定律。
人們第一次發現，世界上的很多東西，用牛頓的這套理論可以精確的計算出來了。 我們可以不用實驗就算出一個東西大概能有多快。 它未來的狀態會怎麽改變。 甚至是天體的軌道都可以精確計算出來。
牛頓的這套體係，不但解決了“有或者無”的問題，更是進一步解決了“有多少”的問題。
而牛頓的這套理論，被稱為——經典物理學。
一旦有了這些規律，我們才能在這個的基礎上，進一步去探索物理的世界。 這引發了17世紀在天文學和力學領域中的一整個科學革命。經過18世紀近1個世紀的準備和研究。 物理學又在19世紀得到了重要的發展。
終於，在19世紀末。 我們建立起了經典力學、熱力學、統計物理學、經典電磁場理論.... 我們對這個世界的理解，在當時達到了它的頂峰。
然而，
隨著我們對這個世界了解的不斷深入...
科學家們發現了問題....
在很多領域，牛頓的經典物理學，在一些地方，不對了！解釋不了他們發現的現象了！
出現偏差的部分，主要來自極大和極小的兩端，....
當研究物體的性質極大，比如速度極其快，或者能量極其大等等的時候，
又或者是當研究物體的尺度極其小，小到原子級別的時候...
牛頓的經典物理體係都不再適用...
一個最簡單的例子，在牛頓的體係裏，如果加速度保持不變，那物體的速度應該會達到無窮大... 可是現實世界裏，為什麽我們沒有能找到任何一個物體的速度能突破光速？ 為什麽光速成為了萬物的速度極限？
為了解釋這兩端的現象，
兩個截然不同的科學體係出現了....
那就是解釋宏觀（也就是極大）體係的愛因斯坦的相對論...
以及解釋微觀（也就是極小）體係的普朗克的量子力學。
我們先說說相對論吧。
1910年，愛因斯坦的相對論橫空出世。
愛因斯坦用另外一種體係解釋了我們的這個宇宙。
就拿地球為什麽會繞著太陽運轉舉例——
牛頓認為，在巨大的物體附近，存在著一種“力場”。這種力場就像磁場一樣，對其中的其他物質有吸引力。 正如同太陽吸引著地球，地球吸引著月球，甚至地球吸引著那個蘋果....
牛頓並不知道巨大物體之間的這個力究竟是什麽，但是通過這理論確實計算出了各種天體的運行..
而愛因斯坦的相對論認為，引力不像牛頓所說的“是物質在空間中產生的力場”那麽簡單，
引力本身就是時空的一部分，是時空的幾何屬性。
當物體的質量大到一定程度，其附近的空間就會產生扭曲，從而改變周邊一切物體的運動模式。比如地球繞著太陽轉，衛星繞著地球轉……
太陽的質量導致了周邊時空的凹陷，而地球就在這樣扭曲的時空之中運轉..
在相對論的解釋下，物體之間的互相吸引，這好像在橡膠墊子上隔開些距離放兩個球，當球附近的橡膠開始凹陷，球就開始沿著凹陷轉動、互相接近....
而行星圍繞恒星的運行， 就好像下麵這樣，中間的大質量就是太陽，而周邊環繞運行的，就是地球和其他行星....
在這樣的相對論體係下，
我們終於講到了這個關乎於霍金的一生學術理論的概念：
黑洞。
根據愛因斯坦的廣義相對論的理論，科學家推斷出了一個在當時看來近乎天方夜譚的觀點：
如果有一個質量極大的恒星，它自身產生的重力也無比巨大，最終恒星必定會因為不堪自身重負而坍縮成一個密度和曲率都無窮大、體積無窮小的點...
在這個點的周邊，會創造出一片引力極強質量極大、連光都無法逃出的特殊區域。
在時空的維度上，就像一個無比深凹的洞....
科學界給了一個簡單的名詞：黑洞。
黑洞這個概念在如今的我們看來，似乎已經算是尋常，
但在當時，許多物理學家都對其存在抱有深深的懷疑，他們覺得中間聚成一個點的假設太過大膽直接，恒星在坍縮過程中肯定會受到其他不可知的外界幹擾，無法在最後真正形成奇點。
因此，這個假設也就慢慢被束之高閣，無人問津了....
直到1959年，當時其他的物理學家們開始想要深入研究黑洞的相關理論....
也正是那一年，
霍金進入牛津大學，他那時年僅17歲，比大多數其它學生都年輕，卻有著超群智力和驚人的學習能力。
他的物理導師後來稱讚，霍金是他所教導的學生中最具有聰明才智的一位，“他隻需要知道某個問題有答案，不需要查看其他人怎樣解答，他都可以給出答案”。
不過，雖然有著過人的天資，那時的霍金卻並沒能沉下心來研究學術，最初一年半，他總是覺得無聊寂寞，因為學校功課“簡單到令人發笑”，甚至連書都讀得很少。
拿到本科學位之後，霍金進一步開始了博士的學習...1962年，霍金如願進入劍橋大學。 他的導師，是天文學家丹尼斯夏瑪。
而他最感興趣的課題， 就是廣義相對論和黑洞。
在此期間他被診斷出了漸凍症，醫生說他餘下的壽命可能不足兩年。
身體的虛弱加之情緒的壓力，霍金開始對學業產生了懷疑，認為命不久矣，不再有繼續攻讀博士學位的必要。
好在，醫生作出的“活不過兩年”的預測並沒有實現，
在導師夏瑪的鼓勵下，他重新一點點拾起了學業，並對廣義相對論和黑洞產生了無比濃厚的興趣，提出了一些初見雛形的獨到見解。
巧的是，也正是在霍金經曆人生大起大落的這段時間，
被塵封已久的黑洞中心是個奇點概念，一次又一次被各國物理學家所提起。
霍金從前人這些理論中得到啟發，進行了大量嚴謹複雜的數學推演計算...
在他未來的學術生涯裏，他的理論主要解釋了兩大問題：
1 黑洞的中心究竟是什麽？
2 在黑洞的邊緣發生了什麽？
黑洞的中心究竟是什麽？
黑洞，是宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體和星體，
它的質量如此之大，產生的引力場如此之強，
就連傳播速度極快的光也沒辦法逃過黑洞的捕捉。
霍金與羅傑·彭羅斯合作，用嚴謹數學推理證明——
如果你能進入黑洞中心，就會發現裏麵關於黑洞的所有質量，都會匯聚到一個點上 -- 奇點，一個體積無限小、彎曲無限大、密度無限大、引力無限大的一個點。
黑洞所有的質量都被無限壓縮到這裏，所以奇點的體積無限小，
但它的密度無限大，引力也無限大。
之前，人們對奇點的形成有所爭論，認為在形成奇點的過程中會發生其他的事情。
而霍金和彭羅斯一起，從理論上，證明了黑洞中心奇點的存在...
這也是他學術生涯中第一個舉足輕重的定理：奇點定理 - 黑洞的中心存在一個奇點。
在這個“黑洞中有個奇點” 這個理論合理的基礎上，我們進一步認為，如果我們反向來看，物質被吸入黑洞達到奇點的過程，是不是就是當年宇宙大爆炸的反過程？
如果我們把整個宇宙膨脹的過程進行反推，那麽回溯到最後，一定會又回到一個點，也就是奇點上。
如果黑洞中是一個奇點的這個理論合理，那整個宇宙最初也可以是一個奇點。 按照彭羅斯和霍金的理論，大爆炸是確實可以是宇宙的開端。
這從一個理論的側麵，進一步論證了宇宙大爆炸的理論....
黑洞的邊緣又發生什麽?
這一切，
還要從霍金研究黑洞的早期開始說起....
最初的時候，霍金也跟主流科學界一樣，認為黑洞是一個隻吞不吐，永遠吃進周圍的物質，質量不斷增加的物體..... 畢竟連光都從黑洞逃不出來，還有什麽物質能逃出來？
然而，這樣黑洞隻吞不吐的觀點，遇到過一個之前沒有人能解釋的難題....
（接下來一段有點複雜，可跳過，總之知道霍金是為了解釋這個難題而創立的後麵的理論就對了）
學過高中物理的知道，熵是一個衡量物體混亂程度的物理性質。 而熵在宇宙裏是永遠在增加不會減少的。
那麽，如果我們把一個有很多熵的東西扔進黑洞裏，那麽，這些熵會被消滅掉麽？
如果熵被消滅了，這就跟最基礎的理論相悖，因為熵是隻增不減的。
那麽，也就是說，黑洞裏這些熵沒有被消滅掉，全都屯在了黑洞本體裏。 但是根據理論，任何有熵的東西就會放出黑體輻射..
黑洞裏有那麽多熵，那也該放出黑體輻射才對啊！
這不又跟黑洞隻吞不吐的理論相衝突了麽？
雖然霍金最早的時候也相信黑洞隻吞不吐，然而經過思考和研究，他創立了一個理論：
黑洞確實在放出黑體輻射，而且黑洞的質量，是在不斷減少的。
這一切，被稱為，霍金輻射理論。
為了解釋自己的這個理論，霍金在學術界破天荒的，用了相對論之外的另一套物理體係來解釋自己的理論——量子力學！
還記得我們之前說過的麽。
在科學界，
解釋宏觀（比如宇宙或者黑洞）體係，用愛因斯坦的相對論...
解釋微觀（也就是原子粒子）體係，用的是普朗克的量子力學。
這兩個理論體係，分別都可以把各自的領域解釋的很好。
相對論可以解釋宇宙間比如黑洞的碰撞會發生什麽事情。 而量子力學解釋了微觀下比如兩個原子，兩個粒子碰撞會發生什麽事情...
但是！
這兩個體係，卻是不互通切還部分相悖的！
比如相對論認為空間是一個連續的整體，
而量子力學認為空間是分散的...
這兩大學派，就好像物理學界的兩棟高樓大廈，不同的物理大牛們在各自的領域不停的往相對論和量子力學領域添磚加瓦。分別引領者人類在宏觀宇宙領域和圍觀粒子領域的各種突破。
這兩棟理論的大樓越蓋越高，可卻一直沒有人能夠把兩個理論統一起來，用一個完整的體係，解釋我們從宏觀到微觀的所有世界....
創立了相對論的愛因斯坦，在人生的後半期研究裏，也想要創立一個涵蓋相對論和量子力學合二為一的同一場理論...
然而他盡畢生之所想，都沒能完成.....
而霍金，
在解釋黑洞究竟會不會發出黑體輻射這個問題上，
卻創新的利用了量子力學的理論，第一次把宏觀的相對論和微觀的量子力學一起用在了解釋黑洞上！
我們回到之前的問題，
黑洞的質量是在不停減少還是增加呢？ 黑洞會向外放出黑體輻射麽？
對此，霍金是這麽解釋的，
這一切，發生在黑洞的邊緣....
量子力學告訴我們，時空是分散的。
說到真空，大家都以為，真空就是空空如也，裏麵什麽都沒有。
但在量子論領域，情況卻並非如此。
在真空中，隨時會憑空出現一對虛粒子對.. 一個正粒子，和一個反粒子，一個攜帶正能量，一個攜帶負能量..
這些虛粒子會憑空出現，存在極小的一段時間，然後又相互碰撞結合而湮滅....
因為他們存在的時間及其短而無法被檢測到，所以將他們稱為虛粒子...
這一切，是量子力學的基礎...
而霍金，把這個理論，用在了黑洞的邊緣上...
在他之前的理論裏，根據相對論，論證了黑洞中心是一個奇點。 而黑洞的邊緣，必定存在一個邊界，隻要沒過這個邊界都還不會被吸進去，過了這個邊界就會被吸入黑洞。
我們又知道，根據量子力學的理論，黑洞附近的真空中，也存在這這樣不停產生又不停湮滅掉的正反虛粒子....
如果，
一個不湊巧，剛好有一對虛粒子，
剛好產生在黑洞的這個邊緣呢？？
由於黑洞的引力很強，配對誕生的這對正反粒子不再能夠互相碰撞，而是被黑洞引力被扯開，有可能有一個跌入黑洞，而另一個沒有。
因為兩個虛粒子一個有正質量，而一個有負質量，因此被吸入的，是負質量的那個。 而正能量的那個粒子，有可能從黑洞邊緣逃離；
按照量子理論，這正反粒子應該是一出現，馬上就會互相碰撞湮滅掉而達到能量守恒的...
然而在這種情況下，一個粒子被吸入黑洞，另一個粒子沒法跟它碰撞湮滅。豈不是莫名產生了一個粒子？
一個虛粒子，變成了一個有正能量的實粒子。
那麽問題來了...
這倆虛粒子本來是應該憑空出現，憑空消失，達到能量守恒的。
現在一個被黑洞吞了，另一個成了有實際能量沒有湮滅掉的實粒子了，那這個能量是哪來的？
能量是不能憑空出現的啊！
霍金的解釋是，
這個離開黑洞的粒子的質量，一定是從黑洞本身的質量而來的....
黑洞吞了一個負能量的粒子，減少了自己的質量，而有另一個含有能量的粒子離開了黑洞... （因為正好在邊緣，所以沒有被黑洞吸進去）
這一切，
在外麵看來，就像黑洞在biu~biu~biu地發射粒子一樣。
（這些粒子不是從黑洞裏跑出來的，而是從黑洞邊緣空虛的空間裏，變出來後逃逸出來的，但是逃逸過程中帶走了黑洞的能量）
而這種猜想中發射能量的輻射，被稱為“霍金輻射”。
與此同時，墜入黑洞的粒子質量為負，在它們的作用下，黑洞變得越來越小，直至消失。
當然了，這個過程非常非常漫長。
由於體積不斷變小，
黑洞自己也有生命的終點。
它最終會變成一個迷你黑洞，在黑洞生命最後階段的時刻，
這個迷你黑洞會爆炸，其威力相當於100萬顆百萬噸級的氫彈。
在一場大爆炸中....
黑洞的一切，灰飛煙滅.....
黑洞的奇點也會爆炸....
我們現在所處的宇宙，曾經就是一個奇點，即所謂的宇宙大爆炸奇點。
隨後，這個奇點爆炸，這才形成了星係、恒星、行星，以及此刻拿著手機緬懷他的你和我。
世間萬物，都由此而來，這就是宇宙的起源。
恩，說完了。
（雖然霍金後期還有信息學方麵的建樹。 這裏不展開了吧）
也許你認為，霍金的這個理論隻不過告訴了我們黑洞邊緣可能發生了什麽....
跟牛頓的整個經典物理體係，愛因斯坦的整個相對論體係相比似乎算不上什麽...
然而，這一切的關鍵在於，
這是科學界，第一次能用廣義相對論和量子力學相結合解釋一個狀況。
兩個理論物理界曾經不相容的理論體係，第一次走到了一起....
在1970年代，這一切，有著無比的重要性。
在宏觀和微觀的世界上，我們創立了兩種不同的體係來解釋不同的事物
多少年來，
科學界一直想找出一個方法，能夠統一相對論和量子力學。
多少年來，多少人也想嚐試著另一套體係，能同時解釋相對論和量子力學..
如果能用一種理論同時解釋宏觀和圍觀，
這不就是一種能夠解釋萬物的理論了麽~~
萬物理論，The Theory of Everything，
一個理論一統宏觀與微觀。這一直是理論物理學界的聖杯...
然而這一直沒有誰能完成。
而霍金用相對論和量子力學來解釋黑洞邊緣，來解釋黑洞質量減少的理論...
卻是在當時走出了這大一統的第一步....
這下，
你知道為什麽那部霍金的片子，會叫萬物理論了麽 ？
恩，
的確，
對於這些複雜深奧的理論，是他的成就和偉大的一個重要方麵，
然而霍金偉大的另一個方麵，卻也同時體現在另一個方向上。
盡管畢生研究的都是些高深複雜又難懂的學問，
他沒有把自己高架在學術的塔尖之上，
他一直筆耕不輟，把自己腦中所思所想，全部傾注到油墨和紙張上，用更簡單直白的形式，
讓平凡世人得以憑借他這扇窗，一窺宇宙的奧妙。
1988年，他編寫了科普圖書《時間簡史》，
這本書很快就成為十分流行的經典著作，即便是30年後的今天，也依舊暢銷，是無數人的科學啟蒙。
1993年，他將自己1976年到1992年期間撰寫的14篇文章集合成冊，出版了科普著作《黑洞與嬰兒宇宙》。
2001年，由於《時間簡史》廣受好評，霍金又撰寫了它的姊妹篇《果殼裏的宇宙》，同樣的通俗易懂，也同樣廣受追捧。
2007年，霍金與女兒露西，還有博士學生克裏斯多夫·蓋德發共同完成兒童讀物《喬治通往宇宙的秘密鑰匙》，
這本書講述了小孩喬治如何找到並利用宇宙閘門遊遍了整個太陽係；
2009年，霍金與女兒撰寫了兒童讀物《喬治的宇宙尋寶》，講述小孩喬治在迷航宇宙尋找生命蹤跡。
2011年，霍金與女兒第三次合作，完成兒童讀物《喬治與大爆炸》，用淺顯直白的語言，講述宇宙在大爆炸時的狀況。
我們可能一輩子都不會知道霍金究竟是怎麽證明了奇點，而奇點對宇宙又有什麽意義...
我們可能一輩子也不會關心黑洞究竟是在增加質量還是減少質量...
但是我們卻對大爆炸，黑洞，蟲洞等科學會感興趣...
這一切，
可能得益於霍金的時間簡史...
他能用簡單的語言講述這些高深的物理理論，
可能比推廣黑洞質量是怎麽減少的更有意義...
讓更多人知道了宇宙是怎麽開始的，是怎麽結束的..
霍金的偉大，在於他學術的開拓，
霍金的偉大，又在於他對傳播科學的推進....
這…
或許才是霍金受人尊敬欽佩的真正原因吧…
這，
才是我真正想告訴你們的，
霍金偉大的原因....
他，或許稱得上是當代社會最著名的物理學家。
每每提起他的名字，
不論誰都會脫口而出評價一句“偉大”、“天才”、“了不起”…
但對於大部分人來說，
“霍金到底偉大在哪兒？
他為何而出名？”
卻是一個很難回答的問題。
是因為他年紀輕輕就身患漸凍症卻還依然堅守在科研前線的不屈精神？
他那副來去自如還能發出機器人嗓音的神奇輪椅？
還是他曾在《辛普森一家》、《星際迷航》、《生活大爆炸》等著名影視作品中犀利的客串？
還是那本《時間簡史》？？
這一切，這可能都是不少常人對霍金的了解，
然而，
這一切，似乎都太淺顯片麵了……
那麽，霍金的學術成就呢？
是他發現了黑洞麽？還是他創立了大爆炸理論？又或是他告訴了我們時間的真正意義？
不，他沒有發現黑洞，大爆炸理論最初也不是他創立的，他也沒告訴我們時間真正的定義...
有人認為他在現代物理學的研究進展中發揮了舉足輕重無可替代的作用，世界欠他一個諾貝爾獎。也有人覺得，他其實名不副實.....
然而他仍然是一個偉大的物理學家，
我想借這篇文章的機會，給大家慢慢解釋一下，
霍金，緣何偉大。
下麵的文章裏，可能有些部分有些學術，可能有部分難懂，然而花一點時間真正讀一遍，成為一個真正了解霍金為什麽偉大的人，
這，不是更好麽？
（我不是學物理的，我隻是盡我所知的去解釋這些知識，如果其中有錯的地方，我盡量改正）
這篇文章的一切，
都要從我們該用什麽理論解釋這個世界的一切說起.....
我們要怎麽解釋這個世界上發生的一切？
一切的發生都是為什麽？
古代的哲學家和物理學家們，其實一直在嚐試解釋這個問題。
在這樣的環境裏，我們對於世界的問題分成了兩類：
1. 能解釋的；
2. 不能解釋的
我們通過自己的想法去解釋生活中發生的各種現象。
而不能解釋的那些，通常會歸於哲學或者神秘主義。
在早期的年代，物理學在人類的知識體係中一片混沌。甚至都沒能獨立成為“物理”這門學說。
在上千年前的那個年代裏，了解這個世界，解釋這個世界，我們依靠的，是實驗。
我們也在不同的實驗中，不斷修正著我們對世界的理解和認知。
公元前300多年，亞裏士多德通過觀察羽毛等輕的物體和石頭等重的物體的下落的不同速度，得出了 “物體下落速度和重量成正比例” 的理論結果...
這樣的理論統治了西方世界1900多年，在教會勢力的支持下,沒有人敢對此提出疑問。
直到16世紀，出現了一個敢於反對的人。
他，叫伽利略。
在那個斜塔上，他做出了一重，一輕兩個鐵球同時落地的實驗。
用實驗告訴了我們，亞裏士多德這統治了世界1900多年的理論是錯誤的....
這便是我們早期的物理學家了解這個世界的一種實驗方法：通過觀察現象和自己實驗現象來解釋世界的實驗物理學。
伽利略、開普勒、惠更斯....
在這個年代裏，有一批又一批的科學家，把他們觀察的目標對準了宇宙。 嚐試通過對宇宙的觀察，嚐試解釋天體的運行，解釋更多的天文現象。各自都有了各自的一套理論進展。
然而，
這樣的物理，是有局限的。
我們觀察到的範圍很有限，我們能實驗的範圍也很有限。
通過觀察和實驗，我們解決了很多“是或者不是”，“有或者無”之類定性的問題。 卻解決不了很多“有多少”之類定量的問題....
直到那一天，
一個人橫空出世，
他叫牛頓。
F = m a
這可能是我們初中物理學過的一個最簡單的公式。 這可能確是那個年代最偉大的一個突破....
他的偉大不但在於他試驗和總結得出了這個公式，更關鍵在於他認為f=ma適用於世界上的所有物體。
小到一個蘋果，皮球。 大到宇宙的太陽，和星係...
這一切事物的運行，都可以用一個最簡單的公式F=ma來解釋...
在F=ma之上，牛頓用數學和各種公式設立了一整套物理體係，他把力，速度，加速度，能量，動量等等各種概念都嚴格的定義了出來，用數學的方式找到了它們之間的關係...
牛頓還通過了大量實驗，證明了任何兩物體之間都存在著吸引力，總結出了萬有引力定律。
人們第一次發現，世界上的很多東西，用牛頓的這套理論可以精確的計算出來了。 我們可以不用實驗就算出一個東西大概能有多快。 它未來的狀態會怎麽改變。 甚至是天體的軌道都可以精確計算出來。
牛頓的這套體係，不但解決了“有或者無”的問題，更是進一步解決了“有多少”的問題。
而牛頓的這套理論，被稱為——經典物理學。
一旦有了這些規律，我們才能在這個的基礎上，進一步去探索物理的世界。 這引發了17世紀在天文學和力學領域中的一整個科學革命。經過18世紀近1個世紀的準備和研究。 物理學又在19世紀得到了重要的發展。
終於，在19世紀末。 我們建立起了經典力學、熱力學、統計物理學、經典電磁場理論.... 我們對這個世界的理解，在當時達到了它的頂峰。
然而，
隨著我們對這個世界了解的不斷深入...
科學家們發現了問題....
在很多領域，牛頓的經典物理學，在一些地方，不對了！解釋不了他們發現的現象了！
出現偏差的部分，主要來自極大和極小的兩端，....
當研究物體的性質極大，比如速度極其快，或者能量極其大等等的時候，
又或者是當研究物體的尺度極其小，小到原子級別的時候...
牛頓的經典物理體係都不再適用...
一個最簡單的例子，在牛頓的體係裏，如果加速度保持不變，那物體的速度應該會達到無窮大... 可是現實世界裏，為什麽我們沒有能找到任何一個物體的速度能突破光速？ 為什麽光速成為了萬物的速度極限？
為了解釋這兩端的現象，
兩個截然不同的科學體係出現了....
那就是解釋宏觀（也就是極大）體係的愛因斯坦的相對論...
以及解釋微觀（也就是極小）體係的普朗克的量子力學。
我們先說說相對論吧。
1910年，愛因斯坦的相對論橫空出世。
愛因斯坦用另外一種體係解釋了我們的這個宇宙。
就拿地球為什麽會繞著太陽運轉舉例——
牛頓認為，在巨大的物體附近，存在著一種“力場”。這種力場就像磁場一樣，對其中的其他物質有吸引力。 正如同太陽吸引著地球，地球吸引著月球，甚至地球吸引著那個蘋果....
牛頓並不知道巨大物體之間的這個力究竟是什麽，但是通過這理論確實計算出了各種天體的運行..
而愛因斯坦的相對論認為，引力不像牛頓所說的“是物質在空間中產生的力場”那麽簡單，
引力本身就是時空的一部分，是時空的幾何屬性。
當物體的質量大到一定程度，其附近的空間就會產生扭曲，從而改變周邊一切物體的運動模式。比如地球繞著太陽轉，衛星繞著地球轉……
太陽的質量導致了周邊時空的凹陷，而地球就在這樣扭曲的時空之中運轉..
在相對論的解釋下，物體之間的互相吸引，這好像在橡膠墊子上隔開些距離放兩個球，當球附近的橡膠開始凹陷，球就開始沿著凹陷轉動、互相接近....
而行星圍繞恒星的運行， 就好像下麵這樣，中間的大質量就是太陽，而周邊環繞運行的，就是地球和其他行星....
在這樣的相對論體係下，
我們終於講到了這個關乎於霍金的一生學術理論的概念：
黑洞。
根據愛因斯坦的廣義相對論的理論，科學家推斷出了一個在當時看來近乎天方夜譚的觀點：
如果有一個質量極大的恒星，它自身產生的重力也無比巨大，最終恒星必定會因為不堪自身重負而坍縮成一個密度和曲率都無窮大、體積無窮小的點...
在這個點的周邊，會創造出一片引力極強質量極大、連光都無法逃出的特殊區域。
在時空的維度上，就像一個無比深凹的洞....
科學界給了一個簡單的名詞：黑洞。
黑洞這個概念在如今的我們看來，似乎已經算是尋常，
但在當時，許多物理學家都對其存在抱有深深的懷疑，他們覺得中間聚成一個點的假設太過大膽直接，恒星在坍縮過程中肯定會受到其他不可知的外界幹擾，無法在最後真正形成奇點。
因此，這個假設也就慢慢被束之高閣，無人問津了....
直到1959年，當時其他的物理學家們開始想要深入研究黑洞的相關理論....
也正是那一年，
霍金進入牛津大學，他那時年僅17歲，比大多數其它學生都年輕，卻有著超群智力和驚人的學習能力。
他的物理導師後來稱讚，霍金是他所教導的學生中最具有聰明才智的一位，“他隻需要知道某個問題有答案，不需要查看其他人怎樣解答，他都可以給出答案”。
不過，雖然有著過人的天資，那時的霍金卻並沒能沉下心來研究學術，最初一年半，他總是覺得無聊寂寞，因為學校功課“簡單到令人發笑”，甚至連書都讀得很少。
拿到本科學位之後，霍金進一步開始了博士的學習...1962年，霍金如願進入劍橋大學。 他的導師，是天文學家丹尼斯夏瑪。
而他最感興趣的課題， 就是廣義相對論和黑洞。
在此期間他被診斷出了漸凍症，醫生說他餘下的壽命可能不足兩年。
身體的虛弱加之情緒的壓力，霍金開始對學業產生了懷疑，認為命不久矣，不再有繼續攻讀博士學位的必要。
好在，醫生作出的“活不過兩年”的預測並沒有實現，
在導師夏瑪的鼓勵下，他重新一點點拾起了學業，並對廣義相對論和黑洞產生了無比濃厚的興趣，提出了一些初見雛形的獨到見解。
巧的是，也正是在霍金經曆人生大起大落的這段時間，
被塵封已久的黑洞中心是個奇點概念，一次又一次被各國物理學家所提起。
霍金從前人這些理論中得到啟發，進行了大量嚴謹複雜的數學推演計算...
在他未來的學術生涯裏，他的理論主要解釋了兩大問題：
1 黑洞的中心究竟是什麽？
2 在黑洞的邊緣發生了什麽？
黑洞的中心究竟是什麽？
黑洞，是宇宙空間中存在的一種質量相當大的天體和星體，
它的質量如此之大，產生的引力場如此之強，
就連傳播速度極快的光也沒辦法逃過黑洞的捕捉。
霍金與羅傑·彭羅斯合作，用嚴謹數學推理證明——
如果你能進入黑洞中心，就會發現裏麵關於黑洞的所有質量，都會匯聚到一個點上 -- 奇點，一個體積無限小、彎曲無限大、密度無限大、引力無限大的一個點。
黑洞所有的質量都被無限壓縮到這裏，所以奇點的體積無限小，
但它的密度無限大，引力也無限大。
之前，人們對奇點的形成有所爭論，認為在形成奇點的過程中會發生其他的事情。
而霍金和彭羅斯一起，從理論上，證明了黑洞中心奇點的存在...
這也是他學術生涯中第一個舉足輕重的定理：奇點定理 - 黑洞的中心存在一個奇點。
在這個“黑洞中有個奇點” 這個理論合理的基礎上，我們進一步認為，如果我們反向來看，物質被吸入黑洞達到奇點的過程，是不是就是當年宇宙大爆炸的反過程？
如果我們把整個宇宙膨脹的過程進行反推，那麽回溯到最後，一定會又回到一個點，也就是奇點上。
如果黑洞中是一個奇點的這個理論合理，那整個宇宙最初也可以是一個奇點。 按照彭羅斯和霍金的理論，大爆炸是確實可以是宇宙的開端。
這從一個理論的側麵，進一步論證了宇宙大爆炸的理論....
黑洞的邊緣又發生什麽?
這一切，
還要從霍金研究黑洞的早期開始說起....
最初的時候，霍金也跟主流科學界一樣，認為黑洞是一個隻吞不吐，永遠吃進周圍的物質，質量不斷增加的物體..... 畢竟連光都從黑洞逃不出來，還有什麽物質能逃出來？
然而，這樣黑洞隻吞不吐的觀點，遇到過一個之前沒有人能解釋的難題....
（接下來一段有點複雜，可跳過，總之知道霍金是為了解釋這個難題而創立的後麵的理論就對了）
學過高中物理的知道，熵是一個衡量物體混亂程度的物理性質。 而熵在宇宙裏是永遠在增加不會減少的。
那麽，如果我們把一個有很多熵的東西扔進黑洞裏，那麽，這些熵會被消滅掉麽？
如果熵被消滅了，這就跟最基礎的理論相悖，因為熵是隻增不減的。
那麽，也就是說，黑洞裏這些熵沒有被消滅掉，全都屯在了黑洞本體裏。 但是根據理論，任何有熵的東西就會放出黑體輻射..
黑洞裏有那麽多熵，那也該放出黑體輻射才對啊！
這不又跟黑洞隻吞不吐的理論相衝突了麽？
雖然霍金最早的時候也相信黑洞隻吞不吐，然而經過思考和研究，他創立了一個理論：
黑洞確實在放出黑體輻射，而且黑洞的質量，是在不斷減少的。
這一切，被稱為，霍金輻射理論。
為了解釋自己的這個理論，霍金在學術界破天荒的，用了相對論之外的另一套物理體係來解釋自己的理論——量子力學！
還記得我們之前說過的麽。
在科學界，
解釋宏觀（比如宇宙或者黑洞）體係，用愛因斯坦的相對論...
解釋微觀（也就是原子粒子）體係，用的是普朗克的量子力學。
這兩個理論體係，分別都可以把各自的領域解釋的很好。
相對論可以解釋宇宙間比如黑洞的碰撞會發生什麽事情。 而量子力學解釋了微觀下比如兩個原子，兩個粒子碰撞會發生什麽事情...
但是！
這兩個體係，卻是不互通切還部分相悖的！
比如相對論認為空間是一個連續的整體，
而量子力學認為空間是分散的...
這兩大學派，就好像物理學界的兩棟高樓大廈，不同的物理大牛們在各自的領域不停的往相對論和量子力學領域添磚加瓦。分別引領者人類在宏觀宇宙領域和圍觀粒子領域的各種突破。
這兩棟理論的大樓越蓋越高，可卻一直沒有人能夠把兩個理論統一起來，用一個完整的體係，解釋我們從宏觀到微觀的所有世界....
創立了相對論的愛因斯坦，在人生的後半期研究裏，也想要創立一個涵蓋相對論和量子力學合二為一的同一場理論...
然而他盡畢生之所想，都沒能完成.....
而霍金，
在解釋黑洞究竟會不會發出黑體輻射這個問題上，
卻創新的利用了量子力學的理論，第一次把宏觀的相對論和微觀的量子力學一起用在了解釋黑洞上！
我們回到之前的問題，
黑洞的質量是在不停減少還是增加呢？ 黑洞會向外放出黑體輻射麽？
對此，霍金是這麽解釋的，
這一切，發生在黑洞的邊緣....
量子力學告訴我們，時空是分散的。
說到真空，大家都以為，真空就是空空如也，裏麵什麽都沒有。
但在量子論領域，情況卻並非如此。
在真空中，隨時會憑空出現一對虛粒子對.. 一個正粒子，和一個反粒子，一個攜帶正能量，一個攜帶負能量..
這些虛粒子會憑空出現，存在極小的一段時間，然後又相互碰撞結合而湮滅....
因為他們存在的時間及其短而無法被檢測到，所以將他們稱為虛粒子...
這一切，是量子力學的基礎...
而霍金，把這個理論，用在了黑洞的邊緣上...
在他之前的理論裏，根據相對論，論證了黑洞中心是一個奇點。 而黑洞的邊緣，必定存在一個邊界，隻要沒過這個邊界都還不會被吸進去，過了這個邊界就會被吸入黑洞。
我們又知道，根據量子力學的理論，黑洞附近的真空中，也存在這這樣不停產生又不停湮滅掉的正反虛粒子....
如果，
一個不湊巧，剛好有一對虛粒子，
剛好產生在黑洞的這個邊緣呢？？
由於黑洞的引力很強，配對誕生的這對正反粒子不再能夠互相碰撞，而是被黑洞引力被扯開，有可能有一個跌入黑洞，而另一個沒有。
因為兩個虛粒子一個有正質量，而一個有負質量，因此被吸入的，是負質量的那個。 而正能量的那個粒子，有可能從黑洞邊緣逃離；
按照量子理論，這正反粒子應該是一出現，馬上就會互相碰撞湮滅掉而達到能量守恒的...
然而在這種情況下，一個粒子被吸入黑洞，另一個粒子沒法跟它碰撞湮滅。豈不是莫名產生了一個粒子？
一個虛粒子，變成了一個有正能量的實粒子。
那麽問題來了...
這倆虛粒子本來是應該憑空出現，憑空消失，達到能量守恒的。
現在一個被黑洞吞了，另一個成了有實際能量沒有湮滅掉的實粒子了，那這個能量是哪來的？
能量是不能憑空出現的啊！
霍金的解釋是，
這個離開黑洞的粒子的質量，一定是從黑洞本身的質量而來的....
黑洞吞了一個負能量的粒子，減少了自己的質量，而有另一個含有能量的粒子離開了黑洞... （因為正好在邊緣，所以沒有被黑洞吸進去）
這一切，
在外麵看來，就像黑洞在biu~biu~biu地發射粒子一樣。
（這些粒子不是從黑洞裏跑出來的，而是從黑洞邊緣空虛的空間裏，變出來後逃逸出來的，但是逃逸過程中帶走了黑洞的能量）
而這種猜想中發射能量的輻射，被稱為“霍金輻射”。
與此同時，墜入黑洞的粒子質量為負，在它們的作用下，黑洞變得越來越小，直至消失。
當然了，這個過程非常非常漫長。
由於體積不斷變小，
黑洞自己也有生命的終點。
它最終會變成一個迷你黑洞，在黑洞生命最後階段的時刻，
這個迷你黑洞會爆炸，其威力相當於100萬顆百萬噸級的氫彈。
在一場大爆炸中....
黑洞的一切，灰飛煙滅.....
黑洞的奇點也會爆炸....
我們現在所處的宇宙，曾經就是一個奇點，即所謂的宇宙大爆炸奇點。
隨後，這個奇點爆炸，這才形成了星係、恒星、行星，以及此刻拿著手機緬懷他的你和我。
世間萬物，都由此而來，這就是宇宙的起源。
恩，說完了。
（雖然霍金後期還有信息學方麵的建樹。 這裏不展開了吧）
也許你認為，霍金的這個理論隻不過告訴了我們黑洞邊緣可能發生了什麽....
跟牛頓的整個經典物理體係，愛因斯坦的整個相對論體係相比似乎算不上什麽...
然而，這一切的關鍵在於，
這是科學界，第一次能用廣義相對論和量子力學相結合解釋一個狀況。
兩個理論物理界曾經不相容的理論體係，第一次走到了一起....
在1970年代，這一切，有著無比的重要性。
在宏觀和微觀的世界上，我們創立了兩種不同的體係來解釋不同的事物
多少年來，
科學界一直想找出一個方法，能夠統一相對論和量子力學。
多少年來，多少人也想嚐試著另一套體係，能同時解釋相對論和量子力學..
如果能用一種理論同時解釋宏觀和圍觀，
這不就是一種能夠解釋萬物的理論了麽~~
萬物理論，The Theory of Everything，
一個理論一統宏觀與微觀。這一直是理論物理學界的聖杯...
然而這一直沒有誰能完成。
而霍金用相對論和量子力學來解釋黑洞邊緣，來解釋黑洞質量減少的理論...
卻是在當時走出了這大一統的第一步....
這下，
你知道為什麽那部霍金的片子，會叫萬物理論了麽 ？
恩，
的確，
對於這些複雜深奧的理論，是他的成就和偉大的一個重要方麵，
然而霍金偉大的另一個方麵，卻也同時體現在另一個方向上。
盡管畢生研究的都是些高深複雜又難懂的學問，
他沒有把自己高架在學術的塔尖之上，
他一直筆耕不輟，把自己腦中所思所想，全部傾注到油墨和紙張上，用更簡單直白的形式，
讓平凡世人得以憑借他這扇窗，一窺宇宙的奧妙。
1988年，他編寫了科普圖書《時間簡史》，
這本書很快就成為十分流行的經典著作，即便是30年後的今天，也依舊暢銷，是無數人的科學啟蒙。
1993年，他將自己1976年到1992年期間撰寫的14篇文章集合成冊，出版了科普著作《黑洞與嬰兒宇宙》。
2001年，由於《時間簡史》廣受好評，霍金又撰寫了它的姊妹篇《果殼裏的宇宙》，同樣的通俗易懂，也同樣廣受追捧。
2007年，霍金與女兒露西，還有博士學生克裏斯多夫·蓋德發共同完成兒童讀物《喬治通往宇宙的秘密鑰匙》，
這本書講述了小孩喬治如何找到並利用宇宙閘門遊遍了整個太陽係；
2009年，霍金與女兒撰寫了兒童讀物《喬治的宇宙尋寶》，講述小孩喬治在迷航宇宙尋找生命蹤跡。
2011年，霍金與女兒第三次合作，完成兒童讀物《喬治與大爆炸》，用淺顯直白的語言，講述宇宙在大爆炸時的狀況。
我們可能一輩子都不會知道霍金究竟是怎麽證明了奇點，而奇點對宇宙又有什麽意義...
我們可能一輩子也不會關心黑洞究竟是在增加質量還是減少質量...
但是我們卻對大爆炸，黑洞，蟲洞等科學會感興趣...
這一切，
可能得益於霍金的時間簡史...
他能用簡單的語言講述這些高深的物理理論，
可能比推廣黑洞質量是怎麽減少的更有意義...
讓更多人知道了宇宙是怎麽開始的，是怎麽結束的..
霍金的偉大，在於他學術的開拓，
霍金的偉大，又在於他對傳播科學的推進....
這…
或許才是霍金受人尊敬欽佩的真正原因吧…
這，
才是我真正想告訴你們的，
霍金偉大的原因....
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