探索宇宙的奥秘 霍金（霍金励志的故事致敬霍金 | 探索宇宙永不止步）
去年3月14日，世界著名天体物理学家斯蒂芬·威廉·霍金于英国逝世，享年76岁，一颗科学苍穹上闪耀的明星陨落了。虽然从此地球上少了一个能够看见宇宙的人，但他的探索精神，永远激励着人们插上思想的翅膀，仰望星空、遨游宇宙。
斯蒂芬·威廉·霍金
1942年1月8日出生于英国牛津（恰逢伽利略逝世300年），生前任职剑桥大学应用数学与理论物理系教授，曾任剑桥大学数学科学中心卢卡斯数学教授（1979-2009，牛顿于1663年任该职位），成立理论宇宙学中心，并为首任主任，毕生致力于宇宙论和黑洞领域的研究，一生贡献卓著，被誉为“继爱因斯坦后社会影响最大的科学家”。
“宇宙是无边界的”
宇宙是什么？起源于哪里？终结于何处？这个问题被人类思考了几千年。上世纪以来，大爆炸宇宙论逐渐被人们熟知并接受，被视为标准的宇宙模型，但“奇点疑难”成为了早期研究中最大的难题，即在大爆炸的奇点处，由于宇宙的密度无限大，根据广义相对论，时空的曲率也就无限大，因而根本没有可以为大爆炸提供场所的地方。
上世纪七十年代，霍金与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理，即在极一般的条件下，按照广义相对论，宇宙大爆炸必然从一个奇点开始。这一工作使他们共同获得了1988年的沃尔夫物理学奖。然而这个奇点是一个密度无限大、时空曲率无限高、热量无限高、体积无限小的“点”，一切已知物理定律均在奇点失效，包括通常用来研究宇宙的广义相对论、万有引力理论。奇性定理也表明，广义相对论是不完备的，它无法告诉我们宇宙是如何开始的。霍金在他的专著《时空本性》中指出：“广义相对论导致了自身的失效：它预言它不能预言宇宙。”
2008年，霍金在NASA 50周年纪念会上发表演说
面对“奇点疑难”，霍金认为宇宙初始阶段由于极其微小从而需要考虑量子效应。1983年霍金和哈特发通过综合广义相对论与量子力学知识，发表了《宇宙的波函数》论文，开创了量子宇宙学的研究。他们通过这个波函数给出了宇宙按照特征量分布的（我个人觉得是概率谱），创造性地建立了量子宇宙“微超空间模型”，引入“虚时间”的概念，正式提出“无边界宇宙”设想，即“宇宙的边界条件就是没有边界”。由于虚时间里宇宙没有奇点，时间和空间是有限的，它们形成了没有边界的闭合面，正如地球的表面那样，在尺度上是有限的但是没有边界，这样科学定律就处处有效。从而人们可以根据宇宙在虚时间的历史来考察它在实时间中的历史，这样无边界宇宙理论就是一个完全自足的理论，不需要求助于上帝的第一推动或者其他什么边界条件。随后，霍金和他的博士生吴忠超先生证明，在无边界假设条件下，宇宙必须从零动量态向三维几何态演化，于是经典奇性被量子效应所抹平，奇点疑难得到解决。在霍金提出这个宇宙模型之后，几乎所有的量子宇宙学的研究都是围绕这个模型展开的。1992年宇宙背景探险者卫星(COBE)首次检测到微波背景因方向的不同有非常微小的变化，与无边界宇宙模型的预测相符合，表明霍金的宇宙模型具有一定的有效性。
“霍金辐射”，黑洞也会蒸发？
黑洞是一种由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽后发生引力坍缩产生的特殊天体。该类天体质量极其巨大，而体积却十分微小，它产生的引力场极为强劲，以至于任何物质和辐射在进入到黑洞的一个事件视界（黑洞边界）内便再无法逃脱，即使目前已知的传播速度最快的光（电磁波）也逃逸不出。
1970年，霍金提出了黑洞力学第二定律，即黑洞面积定理：黑洞的表面积绝不会随着时间的进程而减小。黑洞面积定理表明一个孤立黑洞可以保持恒定的表面积，而实际黑洞的表面积会随着对物质和辐射的捕获而不断增大。如果两个黑洞碰撞合并成一个黑洞，这个新黑洞的面积会大于原来那两个黑洞面积之和。随着黑洞面积定理的提出，1972年在普林斯顿大学攻读研究生的柏肯斯坦据此定律提出事件视界(黑洞边界)的面积即是黑洞熵的量度的猜想。但这一猜想有一个致命的缺陷：如果一个黑洞具有熵，那它也应该有温度，具有特定温度的物体必然会以一定的速率发出辐射，所以黑洞必然发出辐射，这和传统的黑洞的定义直接发生矛盾。霍金于1973年开始把量子力学的虚粒子概念引到他的理论中来，用以解释论证黑洞辐射的现象，并在此基础上进一步提出了黑洞的辐射理论，即霍金辐射。这一理论的提出，使人们对黑洞的认识产生了一次新飞跃。霍金在《时间简史——从大爆炸到黑洞》中指出“按照爱因斯坦质能方程，能量和质量成正比，往黑洞去的负能量流会减少它的质量。当黑洞损失质量时，它的事件视界面积变小，但是它发射出的熵过量地补偿了黑洞的熵的减小，所以第二定律从未被违反过。”那么由于霍金辐射产生的黑洞蒸发，最终将使超微黑洞由于自身过热而爆炸，从黑洞中辐射出来的粒子和能量会以其他形式参与到物质循环中去。
2015年3月，霍金与牛顿大学图书馆管理员理查德·奥文登（左）和博物学家大卫·阿滕伯勒（右）一起出席了牛津韦斯顿图书馆的开幕仪式。奥文登在颁奖典礼上向霍金和阿滕伯勒颁发了博德利奖章。
“人类掉进黑洞或可逃至另一宇宙”
很久以来，一个悖论困扰着研究黑洞的科学家，那就是“黑洞信息悖论”：由于黑洞并非永恒存在，它最终会消失。这样一来，最初形成这个黑洞的大质量恒星所包含的信息似乎在这一过程中也就随之消失了。但是在量子物理学中信息是不可丢失的，信息是守恒的，那么进入黑洞的信息去了哪里？
霍金在黑洞的研究中提出，黑洞并非会摧毁一切，而可能是前往一个平行宇宙的通道。他认为信息并不像人们想的那样被存储在黑洞内部，而是在事件视界（黑洞边界），进入黑洞的粒子信息停留在边界上，当这些粒子通过霍金辐射的方式从黑洞出来时，便把这些边界上的部分信息顺便带了出来并进行保存。他在一次讲座中讲道：“如果你发现自己掉进了一个黑洞，先别放弃，还是有办法逃出去的。但这里有一个前提，那就是这个黑洞必须足够大。而如果这个黑洞在旋转，那么它就可能拥有通往另一个宇宙的可能。”这便是我们在科幻小说中经常看到的“虫洞”理论。即便你掉进了一个黑洞也不用太过担心，因为你或许会跳进另外一个宇宙！
霍金体验零重力飞行
“AI或终结人类文明”
2017年全球移动互联网大会(GMIC)上，霍金做了《让人工智能造福人类及其赖以生存的家园》主题演讲。在演讲中，霍金表示，人工智能崛起要么是人类最好的事情，要么就是最糟糕的事情——可能是人类文明的终结。
人工智能从上世纪上半叶诞生后一直曲折前行，直至2016年AlphaGo战胜了世界顶级围棋高手李世石，犹如一枚“重磅炸弹”震惊了全世界。随后发展更是一发不可收拾，图像分类识别、自动驾驶、机器翻译、步态运动和问答系统等等，在不经意间，人工智能已经悄无声息地渗透到我们生活中的方方面面。
霍金多次表示，“彻底开发人工智能可能导致人类灭亡”。霍金认为人工智能的崛起对人类与日俱增的影响是社会最深刻的变化，其发展趋势是不可阻挡的，但人工智能对社会所造成的影响，需要认真调研，要把研究提升人工智能的能力转移到最大化人工智能的社会效益上面。人工智能科技在初级发展阶段的确为人类生活带来便利，但是机器将可能以不断加快的速度重新设计自己。而人类则受制于生物进化速度，无法与其竞争，最终被超越。科学界把这种人工智能超越人类智慧的转折点命名为“奇点”。从短期看，例如无人驾驶、致命性智能自主武器、隐私等是短期的担忧，但人工智能系统失控的潜在风险才是长期的忧虑。人工智能的成功有可能是人类文明史上最大的事件，但人工智能也有可能是人类文明史的终结，除非人类学会如何避免危险。霍金曾讲道，“我们只需要意识到这些危险，找到它们，采取尽可能好的做法和管理手段，提前为其后果做好准备。”
霍金在斯德哥尔摩海滨会议中心举行公开演讲
如今，霍金已长眠于伦敦的威斯敏斯特大教堂，在这里还有牛顿、达尔文等著名的科学巨匠。霍金的一生极不平凡，命运多舛而璀璨励志，即使身患肌萎缩症，骨瘦如柴，全身几乎不能动弹，也不能说话，但他从未向命运低头。禁锢的轮椅、萎缩的肢体并不能限制他奔腾而自由的思想，在他的身上始终有一颗激情的心脏在搏动，有一个超人智慧的头脑在思考。
霍金生前表示：“我希望能鼓舞全世界的人们仰望星空，而不是只低头看着脚下；去思考我们在宇宙中所处的位置，并试着理解宇宙。这个世界任何一个角落的任何人，都应该拥有自由而无障碍的渠道去读到不仅是我的研究，而是人类智慧光谱上的每一个伟大而具有探索精神的大脑。”
▋来源：太空梦想 ▋作者：郄伟、陈勇 ▋编辑：李鑫、江程杰 ▋邮箱：ourspace0424@163.com
