21. 宇宙大爆炸和黑洞理论
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<h2 class="section j-chapter" data-paragraphid="9b7be24c57694142a3949efff471a88a_5">21. 宇宙大爆炸和黑洞理论</h2>
在谈论宇宙大爆炸之前，先让我们普及一下宇宙学的基本知识。最先，有人提出了地心宇宙观，接着又有人提出了日心宇宙观。时间进入20世纪，通过不断地探索和研究，专家们发现太阳就是一颗普通的恒星。在古代，人们都认为地球是宇宙的中心，但是，到了1543年，哥白尼否认了这种说法：地球可能不是宇宙的中心。于是，哥白尼宇宙原理诞生了，被人称为宇宙论的基石。有位美国天文学家希尔克曾说：“哥白尼宇宙学原理是大爆炸理论的基础。大爆炸理论实际上先于宇宙膨胀的发现。按照大爆炸理论，宇宙在过去一定要比现在致密得多炽热得多。”
在霍金研究宇宙大爆炸的时候，很多天体物理学家都研究过希尔克研究的这个问题。宇宙学中的大问题是什么呢？那就是宇宙有没有起始。围绕这个问题，许多科学家不停地展开辩论，有很多科学家对这个观点都提出反对的意见。后来，霍伊尔提出了稳态理论。
关于稳态理论，霍金在他的自传《我的简史》中说：“人们提出了两种可选择的场景。一种就是稳态理论，在该理论中，随着宇宙膨胀，暗物质被连续地创生以使得密度在平均上不变。因为稳态理论需要一个负能量场去创生物质，所以它从未拥有非常坚实的理论基础。这会使它不稳定并容易导致物质和负能量无法控制地产生。但这个理论有一个巨大优点：它能给出确定的能够由观测来检验的预言。”
到了1963年，卡文迪许实验室的马丁·赖尔的射电天文学小组经过观测，发现了稳态理论存在问题。霍金教授在他的著作《我的简史》中用专业的语言对稳态理论进行了科学的分析，那就是：“这些源在整个天空分布得相当均匀。这表示它们可能在我们的星系外面，因为否则的话它们会沿着银河系的方向集中。但是源的数目和源强度对比图跟稳态理论预言不相符合。存在太多的微弱的源，表明源密度在遥远的过去曾经较高。”
1965年，有专家发现了微波辐射的微弱背景，这给稳态理论带来了沉重打击。霍伊尔想出了很多办法，但他不能解释清楚关于辐射的问题。霍金得知这件事情以后，庆幸自己没做霍伊尔的学生，如果霍伊尔收留了他，到现在，他一定会去支持稳态理论，即使明明知道这个理论是根本不可能站稳脚跟的。
霍金在《我的简史》这本书中写道：“我起初不理解要点是什么。彭罗斯证明了，濒临死亡的恒星一旦收缩到一定的半径，就会不可避免地存在奇点，空间和时间在奇点处终结。我想，我们确实已经知道，没有任何东西可阻止大质量冷的恒星在其引力的作用下坍缩，直至它达到无限密度的奇点。”
后来，霍金认为：他和彭罗斯的奇点定理很原始，他们假设宇宙有个柯西面。但是，随着他们进一步研究，他们发现了一个重要的问题。在《我的简史》中有记载：“彭罗斯和我自己的原始的奇点定理需要假设，宇宙有个柯西面，那就是一个和所有粒子路径相交一次并仅有一次的面。因此可能我们的第一条奇点定理只不过证明了宇宙不具有一个柯西面。尽管有趣，但在重要性上，这根本不能和时间有开端或终结相提并论。因此我着手证明不需要一个柯西面假设的奇点定理。”
于是，霍金把研究的结果整理成一篇论文。凭着这篇论文，他在剑桥获得了亚当斯奖，那是1966年，霍金当年只有二十四岁。如此年轻，就获得了这样大的成就，确实是有着不一般的才华。那时候的他，已经患上了运动神经元疾病，但还能拄着拐杖行走；那个时候的他，刚刚和简结婚，他们的孩子还没有出生；那时候的他，二十四岁的年龄，却已经在天文物理学界崭露头角。
后来，霍金和乔治·艾里斯合著的《时空的大尺度结构》就是在这篇论文的基础上写成的。这部专著在1973年由剑桥大学出版社出版，从那以后，霍金就不再探讨时空因果结构，这就成为了他在这个研究课题方面的最后作品。
霍金在《我的简史》这本书中，谈到时空的因果结构的时候，写道：“时空的因果结构是时空的哪些点能够影响其他点处的事件。我愿意告诫一般读者不要尝试查看该书。它是高度专业性的。”
霍金和乔治合作的那本书，确实是一本专业性很强的书。宇宙大爆炸也是属于专业性很强的东西，笔者为了能更精确一些，在涉及这方面理论的时候，都引用了霍金在自传里写的内容。引用这些东西，只是让读者了解宇宙大爆炸其实是存在的。
美国天文学家希尔克在他的著作《宇宙的起源与演化——大爆炸》这本书中，谈到大爆炸理论的时候，是这样说的：“早期宇宙非常炽热、非常致密，同时也许还是很不规则的。这种不规则性和各向异性逐渐消失了。在大爆炸后数分钟内出现了一些核反应，宇宙中几乎所有的氦就是在那时合成的。随着膨胀的进行，宇宙逐渐变冷，就像热空气边膨胀边冷却一样。”
时间进入1970年，在霍金的生活和事业中有两件重大的事情，一是他的女儿出生了，二是他对黑洞理论的研究成为他最著名的科学成果。与研究宇宙大爆炸不同，黑洞被证明是确实存在的，早在1967年，加拿大的专家伊斯雷就对黑洞进行过研究，他认为黑洞应该是球形的。
提起黑洞，有的人认为黑洞就是黑的，它不会发射出任何光芒。对于黑洞，在二百多年前，也就是1783年，有位叫约翰·米歇尔的教师，就曾在当时的《伦敦皇家学会哲学学报》发表过一篇题为《暗星》的论文，他在论文中写道，“有一颗恒星，它有很强的引力场，里面没有光。”米歇尔认为，宇宙中会有很多这样的恒星存在，其实，他发现的这种恒星就是后来被天体物理学家称之为“黑洞”的东西。
几年后，法国科学家拉普拉斯侯爵也有了与米歇尔相似的想法，这位法国侯爵把发现黑洞的想法写进了书里，不过后来，他的书《世界系统》中把黑洞的设想去掉了，后人不知道这位侯爵删除的原因是什么。霍金对公众说：“也许侯爵认为他的想法一定是疯狂的。”
1915年爱因斯坦的广义相对论出现，得出了一个理论：引力如何影响光的协调。但是，爱因斯坦从没接受黑洞理论。以后，二战爆发了，原本对黑洞感兴趣的奥本海默开始研究原子弹，战争改变了专家学者的研究方向。
二战结束后，人们对原子和核物理产生了浓厚的兴趣，很多专家都开始研究这些学问，黑洞的研究被专家们遗忘了，就这样，又过去了二十年。
从1960年开始，随着类星体的发现，人们又开始关注天体物理学，沉睡的天体物理学重新苏醒过来。
什么是类星体？霍金在《我的简史》中做出了回答：“类星体是非常致密和具有非常强大的光学和射电的源的极遥远物体。物体落入黑洞是仅有的能够解释在空间这么小的区域里产生这么多能量的貌似有理的机制。”此时，奥本海默的研究又被人们重新发现了，专家们开始继续进行黑洞理论的研究。
霍金在应用数学和理论物理系的门上贴了一张纸，上面写着一句话：“黑洞是看不见的。”系主任看到这张纸，非常生气。
霍金的黑洞理论是在1970年11月的夜晚诞生的。那天夜晚，关于黑洞方面的研究终于有了想法，他感到特别兴奋。于是，整个晚上，他都在思考这个问题，终于明白了：他的因果结构理论适合于黑洞。
霍金在《我的简史》中写道：“这个理论的一切都是在黑洞毫无观测证据之前发展的，这表明费恩曼讲的，活跃的研究领域必然由实验来驱动的说法是错误的。证明宇宙监督假设是一个从未解决的问题，尽管一些去证伪它的企图都失败了。它对于所有黑洞研究都是基本的，所以我对它是真理具有强大的既得利益。”
围绕着这个问题能有什么样的结果，霍金与基普·索恩以及约翰·普列斯基尔打赌。霍金知道，他能成为赢家，那不是一件容易的事情；他如果输掉了，那倒是很可能的事情，他们很容易找到裸奇点的反例。
霍金是个幽默的人，他把他的观点“自然厌恶裸奇点”印在了T恤上，作为彩头，这让他的对手心情很不好。
霍金发表论文《时空的大尺度结构》后，时间到了1973年，他的女儿露西3岁了，大儿子罗伯特6岁了，他忽然感觉到没有事情可以去做，心里空荡荡的。以后要进行什么研究，霍金又陷入了思考。下一步，霍金打算将广义相对论与量子论结合在一起，也就是说，将大理论与小理论结合起来。遗憾的是，当时的霍金没有量子论方面的背景，他从没有专门研究过量子论。
那个时候，霍金就觉得，如果他先研究奇点定律，似乎有些困难。在霍金的自传《我的简史》中有这样一段：“作为热身准备，我转而考虑由量子论制约的粒子和场在邻近黑洞时会如何行为。特别是，我极想知道，能存在在极早期宇宙形成的极微小的太初黑洞为核的原子吗？”
为了寻找这个问题的答案，霍金开始认真研究，接下来的研究结果，却让他吃惊不小，他发现了从黑洞出来的辐射是存在的。霍金以为可能是计算出现了错误，但是在经过仔细地计算以后，他终于承认从黑洞出来的辐射是存在的这一个观点，确实是真实的。
霍金得出一个结论，他在《我的简史》中写得很清楚：“源自黑洞的辐射会携带走能量，黑洞因此而损失质量并缩小。看来，黑洞最终会完全蒸发并消失。这引起了直插物理学核心的一个问题。我的计算暗示，辐射是严格的热性的和随机的，如果黑洞的面积是黑洞的熵。情况就必须如此。”
这就给天体物理学家们出了一道有趣的智力问题：黑洞内的信息留下的辐射是如何把信息带走的呢？这个观点争论了三十年，在霍金没有找到解决这个问题的办法之前，争论了三十年，没有任何进展。后来，霍金提出了自己的观点，他在《我的简史》一书中写道：“信息并没有丢失，不过不以有用的方式返回。”霍金打了一个形象的比喻：有人烧掉了一部百科全书，然后把焚烧的书灰收藏起来，从技术上来说，百科全书中的信息没有损失。但是，如果有人再想去阅读这本百科全书，那就是不可能的了。
有趣的是，霍金喜欢和同行打赌的毛病又犯了，他又和索恩以及普列斯基尔打赌了。结果，普列斯基尔赢了，霍金又输了。霍金送给他一套关于棒球的百科全书，但是，他个人还是认为，给他的是棒球百科全书的灰烬。
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在谈论宇宙大爆炸之前，先让我们普及一下宇宙学的基本知识。最先，有人提出了地心宇宙观，接着又有人提出了日心宇宙观。时间进入20世纪，通过不断地探索和研究，专家们发现太阳就是一颗普通的恒星。在古代，人们都认为地球是宇宙的中心，但是，到了1543年，哥白尼否认了这种说法：地球可能不是宇宙的中心。于是，哥白尼宇宙原理诞生了，被人称为宇宙论的基石。有位美国天文学家希尔克曾说：“哥白尼宇宙学原理是大爆炸理论的基础。大爆炸理论实际上先于宇宙膨胀的发现。按照大爆炸理论，宇宙在过去一定要比现在致密得多炽热得多。”
在霍金研究宇宙大爆炸的时候，很多天体物理学家都研究过希尔克研究的这个问题。宇宙学中的大问题是什么呢？那就是宇宙有没有起始。围绕这个问题，许多科学家不停地展开辩论，有很多科学家对这个观点都提出反对的意见。后来，霍伊尔提出了稳态理论。
关于稳态理论，霍金在他的自传《我的简史》中说：“人们提出了两种可选择的场景。一种就是稳态理论，在该理论中，随着宇宙膨胀，暗物质被连续地创生以使得密度在平均上不变。因为稳态理论需要一个负能量场去创生物质，所以它从未拥有非常坚实的理论基础。这会使它不稳定并容易导致物质和负能量无法控制地产生。但这个理论有一个巨大优点：它能给出确定的能够由观测来检验的预言。”
到了1963年，卡文迪许实验室的马丁·赖尔的射电天文学小组经过观测，发现了稳态理论存在问题。霍金教授在他的著作《我的简史》中用专业的语言对稳态理论进行了科学的分析，那就是：“这些源在整个天空分布得相当均匀。这表示它们可能在我们的星系外面，因为否则的话它们会沿着银河系的方向集中。但是源的数目和源强度对比图跟稳态理论预言不相符合。存在太多的微弱的源，表明源密度在遥远的过去曾经较高。”
1965年，有专家发现了微波辐射的微弱背景，这给稳态理论带来了沉重打击。霍伊尔想出了很多办法，但他不能解释清楚关于辐射的问题。霍金得知这件事情以后，庆幸自己没做霍伊尔的学生，如果霍伊尔收留了他，到现在，他一定会去支持稳态理论，即使明明知道这个理论是根本不可能站稳脚跟的。
霍金在《我的简史》这本书中写道：“我起初不理解要点是什么。彭罗斯证明了，濒临死亡的恒星一旦收缩到一定的半径，就会不可避免地存在奇点，空间和时间在奇点处终结。我想，我们确实已经知道，没有任何东西可阻止大质量冷的恒星在其引力的作用下坍缩，直至它达到无限密度的奇点。”
后来，霍金认为：他和彭罗斯的奇点定理很原始，他们假设宇宙有个柯西面。但是，随着他们进一步研究，他们发现了一个重要的问题。在《我的简史》中有记载：“彭罗斯和我自己的原始的奇点定理需要假设，宇宙有个柯西面，那就是一个和所有粒子路径相交一次并仅有一次的面。因此可能我们的第一条奇点定理只不过证明了宇宙不具有一个柯西面。尽管有趣，但在重要性上，这根本不能和时间有开端或终结相提并论。因此我着手证明不需要一个柯西面假设的奇点定理。”
于是，霍金把研究的结果整理成一篇论文。凭着这篇论文，他在剑桥获得了亚当斯奖，那是1966年，霍金当年只有二十四岁。如此年轻，就获得了这样大的成就，确实是有着不一般的才华。那时候的他，已经患上了运动神经元疾病，但还能拄着拐杖行走；那个时候的他，刚刚和简结婚，他们的孩子还没有出生；那时候的他，二十四岁的年龄，却已经在天文物理学界崭露头角。
后来，霍金和乔治·艾里斯合著的《时空的大尺度结构》就是在这篇论文的基础上写成的。这部专著在1973年由剑桥大学出版社出版，从那以后，霍金就不再探讨时空因果结构，这就成为了他在这个研究课题方面的最后作品。
霍金在《我的简史》这本书中，谈到时空的因果结构的时候，写道：“时空的因果结构是时空的哪些点能够影响其他点处的事件。我愿意告诫一般读者不要尝试查看该书。它是高度专业性的。”
霍金和乔治合作的那本书，确实是一本专业性很强的书。宇宙大爆炸也是属于专业性很强的东西，笔者为了能更精确一些，在涉及这方面理论的时候，都引用了霍金在自传里写的内容。引用这些东西，只是让读者了解宇宙大爆炸其实是存在的。
美国天文学家希尔克在他的著作《宇宙的起源与演化——大爆炸》这本书中，谈到大爆炸理论的时候，是这样说的：“早期宇宙非常炽热、非常致密，同时也许还是很不规则的。这种不规则性和各向异性逐渐消失了。在大爆炸后数分钟内出现了一些核反应，宇宙中几乎所有的氦就是在那时合成的。随着膨胀的进行，宇宙逐渐变冷，就像热空气边膨胀边冷却一样。”
时间进入1970年，在霍金的生活和事业中有两件重大的事情，一是他的女儿出生了，二是他对黑洞理论的研究成为他最著名的科学成果。与研究宇宙大爆炸不同，黑洞被证明是确实存在的，早在1967年，加拿大的专家伊斯雷就对黑洞进行过研究，他认为黑洞应该是球形的。
提起黑洞，有的人认为黑洞就是黑的，它不会发射出任何光芒。对于黑洞，在二百多年前，也就是1783年，有位叫约翰·米歇尔的教师，就曾在当时的《伦敦皇家学会哲学学报》发表过一篇题为《暗星》的论文，他在论文中写道，“有一颗恒星，它有很强的引力场，里面没有光。”米歇尔认为，宇宙中会有很多这样的恒星存在，其实，他发现的这种恒星就是后来被天体物理学家称之为“黑洞”的东西。
几年后，法国科学家拉普拉斯侯爵也有了与米歇尔相似的想法，这位法国侯爵把发现黑洞的想法写进了书里，不过后来，他的书《世界系统》中把黑洞的设想去掉了，后人不知道这位侯爵删除的原因是什么。霍金对公众说：“也许侯爵认为他的想法一定是疯狂的。”
1915年爱因斯坦的广义相对论出现，得出了一个理论：引力如何影响光的协调。但是，爱因斯坦从没接受黑洞理论。以后，二战爆发了，原本对黑洞感兴趣的奥本海默开始研究原子弹，战争改变了专家学者的研究方向。
二战结束后，人们对原子和核物理产生了浓厚的兴趣，很多专家都开始研究这些学问，黑洞的研究被专家们遗忘了，就这样，又过去了二十年。
从1960年开始，随着类星体的发现，人们又开始关注天体物理学，沉睡的天体物理学重新苏醒过来。
什么是类星体？霍金在《我的简史》中做出了回答：“类星体是非常致密和具有非常强大的光学和射电的源的极遥远物体。物体落入黑洞是仅有的能够解释在空间这么小的区域里产生这么多能量的貌似有理的机制。”此时，奥本海默的研究又被人们重新发现了，专家们开始继续进行黑洞理论的研究。
霍金在应用数学和理论物理系的门上贴了一张纸，上面写着一句话：“黑洞是看不见的。”系主任看到这张纸，非常生气。
霍金的黑洞理论是在1970年11月的夜晚诞生的。那天夜晚，关于黑洞方面的研究终于有了想法，他感到特别兴奋。于是，整个晚上，他都在思考这个问题，终于明白了：他的因果结构理论适合于黑洞。
霍金在《我的简史》中写道：“这个理论的一切都是在黑洞毫无观测证据之前发展的，这表明费恩曼讲的，活跃的研究领域必然由实验来驱动的说法是错误的。证明宇宙监督假设是一个从未解决的问题，尽管一些去证伪它的企图都失败了。它对于所有黑洞研究都是基本的，所以我对它是真理具有强大的既得利益。”
围绕着这个问题能有什么样的结果，霍金与基普·索恩以及约翰·普列斯基尔打赌。霍金知道，他能成为赢家，那不是一件容易的事情；他如果输掉了，那倒是很可能的事情，他们很容易找到裸奇点的反例。
霍金是个幽默的人，他把他的观点“自然厌恶裸奇点”印在了T恤上，作为彩头，这让他的对手心情很不好。
霍金发表论文《时空的大尺度结构》后，时间到了1973年，他的女儿露西3岁了，大儿子罗伯特6岁了，他忽然感觉到没有事情可以去做，心里空荡荡的。以后要进行什么研究，霍金又陷入了思考。下一步，霍金打算将广义相对论与量子论结合在一起，也就是说，将大理论与小理论结合起来。遗憾的是，当时的霍金没有量子论方面的背景，他从没有专门研究过量子论。
那个时候，霍金就觉得，如果他先研究奇点定律，似乎有些困难。在霍金的自传《我的简史》中有这样一段：“作为热身准备，我转而考虑由量子论制约的粒子和场在邻近黑洞时会如何行为。特别是，我极想知道，能存在在极早期宇宙形成的极微小的太初黑洞为核的原子吗？”
为了寻找这个问题的答案，霍金开始认真研究，接下来的研究结果，却让他吃惊不小，他发现了从黑洞出来的辐射是存在的。霍金以为可能是计算出现了错误，但是在经过仔细地计算以后，他终于承认从黑洞出来的辐射是存在的这一个观点，确实是真实的。
霍金得出一个结论，他在《我的简史》中写得很清楚：“源自黑洞的辐射会携带走能量，黑洞因此而损失质量并缩小。看来，黑洞最终会完全蒸发并消失。这引起了直插物理学核心的一个问题。我的计算暗示，辐射是严格的热性的和随机的，如果黑洞的面积是黑洞的熵。情况就必须如此。”
这就给天体物理学家们出了一道有趣的智力问题：黑洞内的信息留下的辐射是如何把信息带走的呢？这个观点争论了三十年，在霍金没有找到解决这个问题的办法之前，争论了三十年，没有任何进展。后来，霍金提出了自己的观点，他在《我的简史》一书中写道：“信息并没有丢失，不过不以有用的方式返回。”霍金打了一个形象的比喻：有人烧掉了一部百科全书，然后把焚烧的书灰收藏起来，从技术上来说，百科全书中的信息没有损失。但是，如果有人再想去阅读这本百科全书，那就是不可能的了。
有趣的是，霍金喜欢和同行打赌的毛病又犯了，他又和索恩以及普列斯基尔打赌了。结果，普列斯基尔赢了，霍金又输了。霍金送给他一套关于棒球的百科全书，但是，他个人还是认为，给他的是棒球百科全书的灰烬。