霍金在《时间简史》中介绍了20世纪物理学的基础知识，涵盖范围很广，从相对论到量子力学，从宇宙膨胀到基本粒子，从黑洞到虫洞，霍金都有所涉及。更重要的是，霍金还介绍了“奇点定理”和“霍金辐射”这两个自己最重要的学术贡献，以及试图解决宇宙起源问题的“无边界宇宙模型”。
一、奇点定理
霍金和彭罗斯利用严谨的数学方法证明了，如果广义相对论是正确的，而且宇宙中的确有我们观测到的那么多物质，那宇宙一定诞生于一个奇点之中。
1.宇宙不是静态的，而是在不断地膨胀
埃德温·哈勃等科学家发现，宇宙中的绝大部分星系都在远离地球而去，而且离地球越远的恒星，离开地球的速度也越快。这意味着，宇宙就像是气球一样，在不断地膨胀。
【案例】
爱因斯坦曾经认为，宇宙应该是静态的。为了维持静态宇宙的假设，他还在自己的方程里加上了一项“宇宙常数”，这被称为“爱因斯坦一生中最大的错误”。
2.“奇点定理”意味着在广义相对论框架内，宇宙必然有一开端
“奇点”是体积无限小、弯曲程度无限大、密度无限大、引力无限大的点。宇宙就诞生于“奇点”之中。
【案例】
宇宙膨胀的`发现意味着，在很久以前，宇宙必然比现在小，所有的物质都会紧紧地集中在一起。霍金和彭罗斯证明了，如果我们把时间往前推150亿年，那所有星系之间的距离都是0，宇宙必然诞生于“奇点”之中。
二、无边界宇宙模型
在描述宇宙历史的模型中，“宇宙大爆炸”模型是当前的主流理论，但这一理论目前无法解决宇宙起源问题。霍金因此把量子力学和相对论结合起来，提出了“无边界宇宙模型”，试图解决这一问题。
1.宇宙大爆炸模型无法解决宇宙起源问题
在宇宙大爆炸模型中，宇宙诞生于“奇点”。但包括广义相对论在内的所有物理定律，都会在奇点处失效，因此人类无法直接研究奇点，这就为上帝的存在留下了空间。
【案例】
在大爆炸模型中，物质、空间和时间，都是大爆炸之后才出现的。大爆炸之前的任何事件，对于我们来说都没有任何意义，或者说根本就不存在。也就是说，宇宙时空并不是无限的，而是有一个边界和开端。
2.在“无边界宇宙模型”中，宇宙没有起源和开端
在“无边界宇宙模型”中，宇宙是“有限无界”的，没有边界和奇点。霍金认为，这个宇宙是完全自给自足的，不受任何外来事物影响，没有创生和消灭的时刻，它就是存在本身，不需要上帝来创造它。
【案例】
“无边界宇宙模型”里的宇宙，是一个空间和时间交织在一起所组成的四维宇宙。在这个宇宙中，时空就像是地球的表面，在范围上是有限的，但却没有形成边界，也没有形成奇点。科学规律在任何一个时空点上都适用，不会发生崩溃。
三、霍金辐射
“霍金辐射”也就是“黑洞辐射”。霍金利用量子力学中的“不确定性原理”提出，黑洞也会发出辐射，并不是完全黑的。
1.黑洞引力极大，连光都不可能逃出黑洞
当恒星的内部燃料耗尽之后，在自身的引力作用下，就可能坍塌成黑洞。黑洞质量大，体积小，引力极高，任何物质，包括光在内，只要进入某个临界区域，就永远不可能逃出黑洞。
【案例】
黑洞吸引一切的性质，跟热力学第二定律产生了冲突。所有有温度的物体，都应该发出辐射和粒子，但如果连光都逃不出黑洞的引力，黑洞怎么能发出辐射呢？
2.霍金利用“不确定性”原理提出了“黑洞辐射”
霍金提出，黑洞的边缘在一刻不停地产生成对的粒子，其中带有负能量的粒子会被吸到黑洞里去，但还有一些带正能量的粒子，可以从黑洞的边缘逃脱。在外界看来，就好像是黑洞在不断地向外发射粒子，这就是黑洞辐射，也叫“霍金辐射”。
【案例】
在“不确定性原理”的限制下，即使是看似毫无一物的虚空，在微观上也是波澜起伏的。会不断地产生成对的粒子和反粒子，再碰撞到一起发生湮灭。
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