物理學傢霍金在2018年3月14日去世瞭，很多人都在紀念他，今天這篇文章和你一起梳理霍金一生在物理上到底做瞭什麼，他的科學成就到底有多大。
1、推翻“穩恒態宇宙模型”，建立“大爆炸宇宙模型”
霍金最早的成果是他的博士學位論文，這篇論文的前半部分推翻瞭他同系的教授霍伊爾的“穩恒態宇宙”理論。
“穩恒態宇宙”說的是宇宙其實並沒有經歷過劇烈的波動，最多是小幅度、區域性的波動，而物質是在真空漲落下隨機出現的。
霍金在牛津本科畢業後報考瞭劍橋，本希望拜入霍伊爾的門下，但沒有成功，最後成瞭另外一個教授夏瑪的學生。
在這幾年學習中，霍金與霍伊爾的學生交流密切，也很關註霍伊爾的穩恒態宇宙模型，他在研究中偶然發現這個模型中的一個常數計算有誤，於是在博士論文中給出瞭詳細證明，論文的前半部分推翻瞭宇宙是穩定不變的結論，後半部分論證瞭宇宙應該是通過大爆炸生成的。
所以， 霍金第一個成果是推翻瞭“穩恒態宇宙模型”，建立瞭“大爆炸宇宙模型”。
2、證明“奇點定理”與“黑洞面積定理”
霍金之後的成果是和數學傢彭羅斯一起在1970年左右做出來的關於黑洞的兩條新證明：
1. 奇點定理
一個時間隻有一個方向的時空，哪怕是沒有靜止質量的光子，這個時空中也至少存在一個奇點。或者說至少有一個過程，時間是有開始的，或者時間是有結束的，或者既有開始又有結束。
2. 黑洞面積定理
黑洞的表面積隻能隨時間增大，不能減小，這個定理的推論就是黑洞隻能多個合並成一個，不可能出現一個分裂成多個的情況。
黑洞面積定理為霍金馬上要達到的學術巔峰奠定瞭基礎，因為它吸引到瞭一個年輕人的註意力——他就是發明“黑洞”這個詞的物理學傢惠勒的研究生貝根斯坦。
貝根斯坦認為一個隻能增加的量很可能和熵有關，之後推導出貝根斯坦公式，證明黑洞表面積和它的熵成正比。
但霍金對貝根斯坦這樣理解自己的“黑洞面積定理”非常反對，因為本質上霍金隻從微分幾何的數學過程得到的結論，沒有一絲一毫和熱力學有關，怎麼可能和熵有關系呢？
不過霍金並不是單純的反對，他也對貝根斯坦公式做瞭驗證。1973年他邀請另外兩位物理學傢和他一起重新推導瞭貝根斯坦公式，雖然沒有找到任何錯誤，但霍金還是強烈表達自己的意思：黑洞的面積像熵，但不是熵。
3、黑洞力學的四個定律
在對貝根斯坦公式的這次推導中，霍金還“順便”產生瞭另外四個新的定律，現在被稱為“黑洞力學的四個定律”。分別是：
- 穩態黑洞表面引力是常數。
- dM=k/8π dA+ΩdJ+VdQ（描述黑洞質量，表面積，表面引力，角速度，角動量，靜電勢之間的關系）。
- 黑洞表面積隨時間不會減少。
- 不可能通過有限步驟使黑洞表面引力降為零。
4、霍金輻射
霍金對貝根斯坦的強烈反對其實僅限於數學推導上，情感上其實很好奇也很希望看到一個純數學過程可以和熱力學規律嚴格吻合，因為這樣對黑洞的研究就可以用很成熟的熱力學方法瞭。
所以之後大半年時間， 霍金在默認貝根斯坦的結論是正確的基礎上，把質量、動量加上瞭一個“量子化”條件，繼續推導黑洞隨時間的演化，得到瞭“黑洞會向外輻射能量”這個結論，後來這個結論被稱為“霍金輻射”。
這個結論說的是，在傳統黑洞理論中，東西隻能進入黑洞，不能出來。但霍金增加瞭一個考慮因素：真空中的粒子漲落，也就是真空不空。
霍金認為，假如這種真空漲落發生在黑洞附近，帶負能量的粒子被黑洞吸進去，帶正能量的那個沒被吸進去，吸進去的那個會讓奇點上的質量減少。
而物理再怎麼發展，質量能量守恒定律是根基，不能拋棄。所以外部觀測者理論上能觀測到一個被黑洞吐出來的正能量粒子。而因為黑洞的特性，當它失去瞭能量後溫度反而會增加，所以黑洞會繼續向外輻射能量，溫差繼續拉大，它和外界物質永遠不會往趨於熱平衡的狀態漸近。
當溫差越來越大後，黑洞就會越來越快地蒸發掉。但這個過程進行得非常慢，按霍金的理論，一個質量是太陽質量10幾倍的黑洞完全蒸發完需要10的66次方年。這個時間長度遠超過宇宙的總歷史，極其緩慢，目前最高的測量精度離測到這個過程也差十萬八千裡。
相反，如果最開始，掉入黑洞的是一個正能量，這個過程也不會停止，黑洞就會越長越大，總之，隻要黑洞出現瞭，就不可能往趨於平衡的方向發展。
以上所述整個理論和數學證明過程之後就叫做霍金輻射。
到此為止，霍金在物理學上的成就達到瞭人生巔峰，這一年是1974年，他32歲，同年被評選為英國皇傢學會的會員，5年後又升任盧卡斯教席數學教授，這個教席代表著極高的榮譽，前任中，廣為人知的有保羅·狄拉克和伊薩克·牛頓。
之後霍金當然還一直在搞研究，但其內容的重要程度已遠不如霍金輻射，而且普通人也很難再聽懂瞭，更廣為人知的反倒是霍金另一個更牛的科學貢獻——向世人科普物理與宇宙。
霍金是歷史上科普成果最大的人
霍金在物理學上的成果當然是無法比肩牛頓、愛因斯坦，甚至也遠不及楊振寧。但如果評價他在科普上的影響力，應該無出其右。
1988年出版的《時間簡史：從大爆炸到黑洞》被翻譯成40多種文字，發行超過2500萬冊。
後續10幾年，霍金又出版瞭一系列根據後來10幾年宇宙學進展寫成的時間簡史姐妹篇《時間簡史續編》《黑洞、嬰兒宇宙及其他》《果殼中的宇宙》，加起來也有上千萬冊的銷量。
他在晚年還參與瞭《辛普森一傢》《星際迷航：下一代》的拍攝，客串瞭美劇《生活大爆炸》中的霍金。根據他的生平，還拍攝過兩部電影——《萬物理論》《霍金傳》。
除瞭這些傳播力最大的電影電視劇，他參加的演講更是不計其數，他在輪椅上一直為科普貢獻他所剩的時間。
可以說，地球上不論什麼國傢，凡是中學畢業的人都聽說過霍金。我想，以當代的社交媒體和娛樂產業的傳播力，霍金應該是歷史上科普成果最大的人。
霍金為什麼沒得過諾貝爾獎？
在上世紀八十年代，真空裡不斷有正反粒子對產生這個說法被實驗廣泛驗證瞭，隻有這個說法成立，霍金輻射才成立。所以霍金輻射其實也已經被物理學界廣泛接受瞭。
但這並不意味著霍金輻射被證實瞭，因為它的實驗難度已經遠遠超過目前的儀器所及，所以霍金輻射始終難有直接證據，諾貝爾獎很可能考慮到“尚未證實”這點，所以一直沒有授獎。
諾貝爾獎有一個規定，就是隻頒發給尚在世的人，所以霍金再沒有機會獲得諾獎瞭，不過這並不是什麼遺憾，因為霍金輻射的重要性是完全足夠獲得諾獎的，不要說理論的創立者夠資格，就連第一個測量到霍金輻射的人也完全有資格獲得諾獎。
所以霍金已經是諾貝爾獎的無冕之王瞭。
內容來源：卓克科學思維課
