這篇書評解讀的，是世界科學著作的里程碑，霍金教授的《時間簡史》（A brief history of time, Stephen Hawking）。

《時間簡史》是全世界最知名，銷量最大的科普書，沒有之一。1988年出版后，曾經在暢銷書榜上連續(xù)出現(xiàn)了237周，也就是四年半的時間，創(chuàng)下了前所未有的暢銷記錄，這本書被翻譯成了40多種文字，印了1000多萬冊，也就是說在全世界范圍內，平均每700個人，就擁有一本《時間簡史》，所以霍金教授的一位學生開玩笑的說：“霍金教授的科普書，比麥當娜談性的書還好賣。”

這些年，出現(xiàn)了很多叫《什么什么簡史》的書，比如說《萬物簡史》，《人類簡史》，《未來簡史》之類的，而霍金教授的《時間簡史》，就是開創(chuàng)了這個命名方法的先河。

《時間簡史》這本書并不是很厚，只有200多頁，十幾萬字，但是書中涵蓋的內容，是非常廣泛的，從相對論到量子力學，從宇宙膨脹到基本粒子，從黑洞到蟲洞，霍金教授都進行了介紹。所以看完這本書，你對我們的世界和宇宙，會有更多更深層次的了解。

不過實話實說，《時間簡史》這本書，對于普通人來說，并不是很友好——它太難了。因為對很多物理學上的概念，霍金教授只做了非常簡單的介紹，有些更是一筆帶過，沒有一定物理學知識基礎的人，很有可能根本就看不懂霍金教授在說些什么。有機構做過調查，很多讀過《時間簡史》的人，除了開頭第一章講的那些段子和歷史以外，其它的內容全都忘了，看了等于沒看，而在Kindle上，《時間簡史》的平均閱讀進度只有6%，意味著很多人買來了《時間簡史》，但是看了第一章就放棄了。

所以我振奮起精神，抖擻起余勇，試試給大家，把《時間簡史》的精華，和霍金教授對于宇宙研究做出的貢獻解讀一下。因為當霍金教授委托他的兩個中國學生，把《時間簡史》翻譯成中文的時候，曾經說：“我希望讓世界五分之一的人口，了解我的研究。”

霍金教授認為，他自己在學術上最重要的貢獻，是對于奇點和黑洞的研究，所以這篇解讀里，我按照時間的順序，把霍金教授的重要理論，分成了三個部分——

首先是霍金教授和彭羅斯教授一起，證明了著名的奇點定理，這個理論跟廣義相對論和宇宙膨脹有關；

接下來是霍金教授提出了無邊界的宇宙模型，認為宇宙沒有邊界，也沒有起始和終結，這是對上帝的一次挑戰(zhàn)；

最后是霍金教授證明了黑洞也可以發(fā)出輻射，這種輻射就被稱為霍金輻射。

奇點定理

我們先來說說，霍金教授和彭羅斯教授證明的奇點定理是什么。

在二十世紀以前，人們一直默認宇宙是靜止的，即使牛頓的萬有引力定律已經說明，不同的物體之間會相互吸引，但是人們還是發(fā)明出了各種各樣的方法，來維護宇宙靜止的設想，甚至連大神愛因斯坦，都在這個問題上栽了跟頭。

愛因斯坦在1915年發(fā)表了廣義相對論，提出時空是可以彎曲的，根據(jù)愛因斯坦的方程，宇宙并不是靜止的，但愛因斯坦認為，這肯定是因為有什么地方弄錯了。所以愛因斯坦在他的方程里，強行添加了一個“宇宙常數(shù)”，這樣一來，根據(jù)修改后的方程來看，宇宙就變成靜止的了。

但是在二十世紀二十年代，科學家在觀察其它恒星的時候發(fā)現(xiàn)，很多恒星，都發(fā)生了一種叫做“紅移”的現(xiàn)象，意思就是說這些恒星都正在遠離地球，本來人們認為，這些恒星的運動是隨機的，也就是說有些恒星離我們越來越遠，但也有些恒星離我們越來越近。

可到了1929年，美國天文學家哈勃（就是名字用來命名哈勃望遠鏡的那個哈勃）發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)恒星，都是在遠離地球的，而且這些恒星離地球越遠，他們遠離地球的速度也就越快。

這說明什么呢？我給大家舉個例子：

假如你拿一個氣球，在氣球表面的不同地方用水彩筆畫上幾個點，接著給這個氣球吹氣，隨著氣球越吹越大，你畫的那幾個點之間的距離，就會越來越遠，而且兩個點離的越遠，它們之間相互遠離的速度就會越快。

這個氣球，其實就相當于我們的宇宙，氣球上的點，就相當于地球和其它恒星，絕大多數(shù)恒星都是離地球越來越遠，這就說明啊，我們的宇宙正在不斷膨脹。

愛因斯坦在得知這個觀測結果之后才發(fā)現(xiàn)，自己強行給方程加進去的那個宇宙常數(shù)，完全就是多余的，宇宙不是靜止的，而的確就是在膨脹的，所以愛因斯坦后來說：“宇宙常數(shù)，是我一生中犯下的最大的錯誤”。

在發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹之后，科學家們，就以愛因斯坦的廣義相對論為基礎，找出了一個新的模型，來描述這個膨脹的宇宙，這就是弗里德曼宇宙模型。

科學家們發(fā)現(xiàn)，在弗里德曼宇宙模型中，如果把時間往前推，宇宙就會收縮，如果一直倒推到150億年前，所有的星系之間的距離，就會變成0，就好像是整個宇宙，被緊緊的擠壓成了一個點。

這個點，就被稱為奇點。它就是，宇宙時空的開端。

奇點的性質非常特別，我們很難直觀地去想象這是個什么東西，但是通過數(shù)學計算我們可以知道，奇點的體積無限小，彎曲程度無限大，密度無限大，引力也是無限大的。

這里有很多的無限小無限大，但是數(shù)學，其實是沒有辦法真的處理無限小和無限大的計算的，這就意味著，雖然弗里德曼宇宙模型是根據(jù)廣義相對論提出的，但是包括廣義相對論在內的所有物理理論，在奇點這個地方，都失效了。

所以霍金教授說，奇點的出現(xiàn)，證明了廣義相對論，也只是一個不完全的理論。因為在宇宙最開始的那一刻，它就失效了。

明白了奇點是什么，我們來看看霍金教授在這個研究過程中，做出了怎樣的貢獻？他，又是怎樣看待奇點的呢？

在奇點這個理論剛被提出來的時候，并不是所有的物理學家都認同這個說法，據(jù)霍金教授說，愛因斯坦自己，都不太相信這個說法，愛因斯坦認為，如果我們把時間一直往前推，不同的星系也不會碰撞到一起，而是會恰好錯開。

但是霍金教授在讀到了彭羅斯教授的一些相關研究的時候意識到，奇點理論應該是成立的。

經過幾年的努力，霍金教授和彭羅斯教授一起，用嚴謹?shù)臄?shù)學方法證明，如果廣義相對論是正確的，而宇宙中確實有我們觀測到的那么多恒星，星系等物質，那么宇宙在很久以前，一定是誕生于一個奇點之中。這個奇點，就是宇宙的開端。

這個理論，現(xiàn)在被稱為彭羅斯—霍金奇點定理。

有很多人一開始不愿意接受霍金教授的這個研究結論，因為他們不喜歡宇宙有一個開端的說法，還有的人認為，這個結論違反了科學決定論，糟蹋了完美的廣義相對論，但是沒辦法，因為霍金教授并不是信口開河，他是腳踏實地，用數(shù)學計算，證明出這個結果的，數(shù)學不會騙人，而人也不能跟數(shù)學定律辯論。

所以現(xiàn)在，不管是喜歡還是不喜歡，幾乎所有的物理學家都承認，我們的宇宙，的確是誕生在一個奇點之中的。

我們復習一下，前面講的是霍金教授和彭羅斯教授證明的奇點定理是什么。

在二十世紀之前，人們都認為宇宙是靜止的，直到科學家發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)恒星都在遠離地球而去，人們才意識到宇宙是在持續(xù)膨脹的。科學家們在研究膨脹的宇宙模型的時候發(fā)現(xiàn)，在150億年前，所有的星系之間的距離都是0，宇宙在當時是一個體積無限小，彎曲度，密度，引力無限大的奇點，霍金教授和彭羅斯教授的貢獻就在于，他們用嚴謹?shù)臄?shù)學方法，證明了，如果廣義相對論是正確的，那么宇宙就必然誕生于這樣一個奇點。這就是，宇宙的開端。

無邊界宇宙模型

我們說證明奇點定理，是霍金教授最大的科學貢獻之一，但是后來，霍金教授又改變了自己的想法，提出了無邊界宇宙模型，認為宇宙并不需要誕生在奇點之中。

所以接下來，我們來看看，霍金教授提出的無邊界宇宙模型，有什么特別之處呢？

在前面我們說到，霍金教授和彭羅斯教授證明了奇點定理，之后幾乎所有的物理學家都承認，我們的宇宙，是誕生在一個奇點之中的，宇宙誕生的那一刻，被稱為大爆炸！

宇宙大爆炸理論，是目前最主流的，描述宇宙起源的模型。我們現(xiàn)在來看一下，宇宙大爆炸模型，對宇宙起源時刻的描述——

大爆炸的那一刻，宇宙的體積是0，溫度無限高，之后宇宙開始迅速膨脹，溫度開始降低；

在大爆炸一秒鐘之后，宇宙的溫度降低到了100億度，這大概是氫彈爆炸時能達到的最高溫度；

在大爆炸一百秒之后，宇宙溫度繼續(xù)降低到10億度，質子和中子開始結合在一起，組成原子核；

之后，宇宙的溫度繼續(xù)降低，持續(xù)膨脹，在一百萬年后，宇宙溫度降低到了幾千度，原子開始形成；

隨著宇宙溫度繼續(xù)降低，恒星，星系這些物質開始形成；

到了150億年后的現(xiàn)在，宇宙已經膨脹了很多很多倍，溫度也已經很低了。

現(xiàn)在的宇宙溫度，只比絕對零度高一點點了，但是宇宙的各個地方，還是殘留著當時大爆炸的能量，而且我們還可以觀測到，科學家們叫它微波背景輻射，就好像是充滿了宇宙的背景噪音。

宇宙大爆炸理論，雖然聽起來很玄乎，似乎有點不可思議，但是是和我們今天的觀測證據(jù)相符合的，所以呢，已經被物理學家們廣泛接受了。

但是這個理論，還是讓不少物理學家們有點兒尷尬，你看，從我前面的描述中，你能夠感覺到，大爆炸是宇宙的奇點，那么，宇宙中一切的物質，甚至是空間和時間，都是大爆炸以后才出現(xiàn)的，大爆炸之前的任何事件，對我們來說都沒有任何意義，或者說根本就不存在，也就是說宇宙時空并不是無限的，而是有一個很特別的邊界和開端，這個開端，就是大爆炸奇點。

但問題是，就像我們在前面講到的那樣，大爆炸奇點是一個非常特別的存在，在這里，所有的物理定律都失效了，人們根本不知道從這個奇點里，會冒出些什么東西，那么，宇宙現(xiàn)在所遵循的那些規(guī)律，到底是怎么出現(xiàn)的呢？是誰規(guī)定了這些規(guī)律呢？

難道，真的是上帝嗎？

由于這個問題，目前科學家們還沒有很好地解釋，所以也就給宗教界保留了一絲希望。

霍金教授回憶，1981年的時候，教皇邀請了很多科學家，召開了一場宇宙學會議，在科學家們演講結束后，教皇說，大爆炸以后的各種歷史，各種規(guī)律，你們都是可以研究的，但是大爆炸的那一刻，你們科學家就不要研究了，因為那是萬物誕生的時刻，那是上帝的事。

霍金教授也在這次會議上發(fā)表了演講，演講的主題，就是無邊界宇宙模型，霍金教授在聽到了教皇的話以后，就在心里嘀咕，“看來教皇沒聽懂我講的內容啊！”

因為此時，霍金教授提出的無邊界宇宙模型也就意味著，宇宙沒有開端，也沒有誕生的時刻，所以，也就根本沒有上帝的位置。

霍金教授為什么這么說呢？

我們來看看無邊界宇宙模型是怎么回事兒。

我們之前在提到奇點定理，和宇宙大爆炸模型的時候一直有一個前提，那就是——廣義相對論是正確的。

但這個前提，其實未必站得住腳，這并不是說廣義相對論錯了，而是說，它是一個，不完全的理論，沒有和量子力學結合起來。

在二十世紀，物理學最重要的兩大發(fā)現(xiàn)，也是當今物理學中最基礎的兩大理論，就是相對論和量子論。

一般來說，相對論管的是宏觀領域，比如星系運動什么的，而量子力學管的是微觀領域，比如說粒子運動的問題，在研究一般理論的時候，這兩套體系是井水不犯河水。

但霍金教授認為，在研究大爆炸奇點的時候，就必須要把相對論和量子力學結合起來了，他認為，奇點定理已經說明了，在大爆炸奇點這種極端情況下，廣義相對論已經不能很好地描述宇宙了，在這時候，就必須要考慮到量子效應。

在廣義相對論的基礎上，宇宙只有兩種可能，要么就有無限長的時間，要么就有一個大爆炸奇點這樣的開端，但是，如果把量子力學引進來之后，就會出現(xiàn)一種新的可能，也就是一個有限無界的宇宙。

有限無界的意思是，宇宙時空是有限大的，但是卻沒有邊界。聽著是不是有點兒暈？還有點兒自相矛盾？我給你舉個例子你就很容易明白了：

我們用地球來做一個類比，我們的地球，就是一個有限大的星球，我們知道它的直徑和大小，但是，地球是沒有邊界和開端的，如果你在地球上一直走一直走，是永遠不可能走到一個地球的邊界的，更不可能掉到地球外面去。所以地球，就是個有限無界的星球。

霍金教授的無邊界宇宙模型，就是一個空間和時間交織在一起的四維宇宙，在這個宇宙中，時空就像是地球的表面，在范圍上是有限的，但是卻沒有形成邊界，也沒有形成奇點，時空上的每一個點，就像地球上的某個點一樣，沒什么特別，科學規(guī)律在任何一個時空點上都適用，不會發(fā)生失效和崩潰。

在無邊界宇宙模型中，宇宙沒有一個特別的奇點，也就不需要上帝來指定一個特殊的規(guī)律，按霍金教授的說法就是，這個宇宙是完全自給自足的，不會受任何外在事物的影響，沒有什么創(chuàng)生和消失的時刻，這樣一來，這個宇宙，也就不需要上帝來創(chuàng)造它了。

需要注意的是，霍金教授自己也反復強調，無邊界宇宙模型，目前還只是一個設想，相當于是他的一家之言，目前主流的宇宙模型，仍然是大爆炸模型。

當然了，無邊界宇宙模型也不是信口開河，它是希望把相對論和量子力學結合起來的一種嘗試，而且也是可以被檢驗的科學理論。

我們復習一下，前面我們介紹了霍金教授的無邊界宇宙模型，講述了它的特殊之處。
在主流的宇宙大爆炸模型中，宇宙有一個開端，這個開端，就是大爆炸奇點。但是，對于大爆炸那一刻所發(fā)生的一切，科學還沒有很好的解釋，這也給上帝留下了一個位置，而霍金教授在無邊界宇宙模型中，把相對論和量子力學結合了起來，認為我們的宇宙時空是范圍有限，但是沒有邊界的，因此，也就沒有奇點和開端，不需要上帝來創(chuàng)生。無邊界宇宙模型目前不是主流，但是它是一個可以被檢驗的科學理論。

霍金輻射

前面這兩個理論，都是跟宇宙大爆炸和奇點有關的問題，除了這個領域之外，霍金教授在學術上另一個最重要的貢獻，就是對于黑洞的研究，所以我們接下來看一看，霍金教授，對于黑洞的研究，做出了什么貢獻，他為什么會說黑洞并不是那么黑的？

我們先來看看黑洞是什么。

這要從恒星的原理來說起，我們都知道，物質之間會產生引力，而且質量越大的物體，所具有的引力也就越大，像太陽這樣的恒星，就具有非常大的引力。恒星受到自身引力的影響，就會有一個向內部坍縮的傾向，那么既然如此，這么多年過去了，為什么太陽還是那么大呢？為什么沒有因為內部引力，而坍縮變小呢？

這是因為，在太陽內部，還存在著一種支撐力，可以和引力相平衡，太陽內部溫度很高，原子序數(shù)是1的氫原子之間劇烈碰撞，就會結合在一起，形成原子序數(shù)是2的氦原子，這個過程中，會釋放出巨大的能量（核聚變），就相當于太陽內部有無數(shù)的氫彈，在不斷的爆炸，這就會給太陽，提供一個支撐的斥力，這么一來，當太陽的引力和支撐力相互平衡之后，恒星就可以保持穩(wěn)定了，所以太陽至今，也沒有坍縮。

那么問題就來了，恒星內部的支撐力，是靠這些“核原料”來支撐的，但這些原料，早晚會有燒完的一天，一旦燒完，恒星就會在引力的作用下，不斷的坍縮，這時候會發(fā)生什么呢？

恒星的最終歸宿有好幾種可能，如果恒星的質量比較小，那么坍縮到一定程度，它的引力，就最終會和內部粒子之間的斥力相平衡，最終變成中子星或者白矮星，但是如果這個恒星質量巨大，比一個半太陽還要大的話，那么它內部粒子之間的任何斥力，都不足以抵消引力，那么這個恒星就會一直坍縮下去，變成體積極小，質量極大的黑洞。

明白了以上黑洞的形成原理，黑洞的性質就很好理解了，黑洞最大的特點，就是具有極強的引力，任何物質，包括光，只要進入了某個臨界區(qū)域，就永遠不可能逃出黑洞了，如果有人靠近黑洞的話，巨大的引力，就會迅速的把他拉長，撕裂。

從外面來看，如果連光都無法逃出，那么黑洞，當然就是全黑的了，這也正是黑洞得名的原因。但問題是，黑洞這種吸引一切的性質，卻和熱力學第二定律產生了沖突。根據(jù)熱力學第二定律，黑洞這種東西，應該有溫度，只要有溫度，就應該向外發(fā)出輻射和粒子，黑洞也不應該例外，但前面說了，連光都逃不出黑洞的引力，怎么可能有粒子能從黑洞中跑出來呢？

其實，包括霍金教授在內的幾乎所有物理學家，都對這個問題很困惑，但是利用量子論，霍金教授后來成功的回答了這個問題。

霍金教授發(fā)現(xiàn)，黑洞的確會向外發(fā)射粒子，但這些粒子，并不是從黑洞里面跑出來的，而是從黑洞邊緣空虛的空間中，無中生有的變出來的。

要理解霍金教授的這個說法，最關鍵的是要理解，量子論中的海森堡不確定性原理。

海森堡不確定性原理說的是，當我們對粒子，引力場，電磁場等進行測量的時候，就會發(fā)現(xiàn)，如果我們對其中的一個物理量測量的越準確，那么對另一個物理量的測量，就越不準確，比如說你對一個粒子的速度測量的越精確，那么對于這個粒子位置的了解，就越模糊。人類不可能同時掌握一個粒子的精確位置和精確速度。

根據(jù)海森堡不確定性原理，即使是看起來什么都沒有的空虛的空間，在微觀上其實也是波瀾起伏的。你想啊，如果有一片空間完全是空虛的，那就代表著其中引力場或者電磁場的強度是零，變化率也是零，這兩個物理量，就同時被精確的掌握了，這顯然就違反了，海森堡不確定性原理，是不可能的。

那么空虛的空間里，到底是什么情況呢？非常神奇，在空虛的空間里，其實時時刻刻，都在產生成對兒的粒子，為了保持能量守恒，這些粒子，有的帶有正能量，有的帶有負能量，他們碰撞在一起，又會同時湮滅。

說到這一步，我們就可以看看霍金教授的解釋是什么意思了。霍金教授提出，黑洞的邊緣，雖然看似是虛空的，但其實是在一刻不停的產生成對的粒子，其中帶有負能量的粒子，就會被吸到黑洞里面去，但還有一些帶有正能量的粒子，可以從黑洞的邊緣逃脫，跑到其它地方去。那么當我們站在黑洞外面看的話，看起來就像是，黑洞不斷地在向外發(fā)射著這些粒子。這就是黑洞輻射，也叫做霍金輻射。

正是因為有這種輻射的存在，霍金教授才會說，黑洞并不是完全黑的。

霍金輻射在物理學上，是一個極富價值的理論，因為黑洞的誕生，是用廣義相對論算出來的，黑洞的輻射，又是用量子力學解釋的，也就是說，霍金輻射，是把廣義相對論，量子力學和熱力學結合起來的一次嘗試，所以雖然霍金輻射沒有被觀測到，但是仍然具有很高的理論價值。

我們復習一下，前面講的是，霍金教授對黑洞研究的貢獻。
霍金教授提出，雖然黑洞引力極大，連光都逃不出去，但是黑洞也并不是完全黑的，根據(jù)量子理論中的海森堡不確定性原理，黑洞邊緣的虛空中，會不斷的產生成對兒的粒子，負能量的粒子會被黑洞吸收，但是有一些正能量的粒子會從黑洞邊緣逃脫，在外界看來，這就像是黑洞不斷向外發(fā)射粒子，這就是霍金輻射。

復習課

到這里，《時間簡史》的精髓，也就是霍金教授對于宇宙研究做出的貢獻，我們就說完了。

我們再來整體復習一遍——

我們講到的第一點，是彭羅斯—霍金奇點理論。奇點是一個體積無限小，彎曲度，密度和引力無限大的點，兩人用嚴謹?shù)臄?shù)學方法證明了，如果廣義相對論是正確的，而且宇宙中的確有我們觀察到的那么多物質，那么宇宙就必然誕生在一個奇點當中；

我們講到的第二點，是霍金教授提出的無邊界宇宙模型，在現(xiàn)在主流的宇宙大爆炸模型中，宇宙有一個起點，就是大爆炸奇點，但是在大爆炸的那一刻，所有的物理定律都失效了，所以科學家們還說不清楚，為什么宇宙必須是現(xiàn)在這樣的，還有人說，那是上帝創(chuàng)造世界的時刻，所以用科學無法解釋。跟宇宙大爆炸模型不同，霍金教授在他的無邊界宇宙模型中，引入了量子力學，認為宇宙是沒有邊界的，因此也沒有奇點，沒有開端和終結，這樣一來，就不需要上帝來創(chuàng)生宇宙了；

我們講到的第三點，是關于霍金教授對于黑洞的研究，也就是霍金輻射。霍金教授提出，黑洞并不是完全黑的，它也會發(fā)出輻射，根據(jù)不確定性原理，黑洞邊緣的虛空，其實也不是完全空無一物的，而是不斷的產生成對兒的粒子，其中有些粒子被黑洞吸收了，但是有些粒子，卻從黑洞邊緣逃出去了，這就相當于，黑洞在向外發(fā)射粒子。這種現(xiàn)象，就是霍金輻射。