21. 宇宙大爆炸和黑洞理論
在談論宇宙大爆炸之前，先讓我們普及一下宇宙學的基本知識。最先，有人提出了地心宇宙觀，接著又有人提出了日心宇宙觀。時間進入20世紀，通過不斷地探索和研究，專家們發現太陽就是一顆普通的恆星。在古代，人們都認為地球是宇宙的中心，但是，到了1543年，哥白尼否認了這種說法：地球可能不是宇宙的中心。於是，哥白尼宇宙原理誕生了，被人稱為宇宙論的基石。有位美國天文學家希爾克曾說：「哥白尼宇宙學原理是大爆炸理論的基礎。大爆炸理論實際上先於宇宙膨脹的發現。按照大爆炸理論，宇宙在過去一定要比現在緻密得多熾熱得多。」
在霍金研究宇宙大爆炸的時候，很多天體物理學家都研究過希爾克研究的這個問題。宇宙學中的大問題是什麼呢？那就是宇宙有沒有起始。圍繞這個問題，許多科學家不停地展開辯論，有很多科學家對這個觀點都提出反對的意見。後來，霍伊爾提出了穩態理論。
關於穩態理論，霍金在他的自傳《我的簡史》中說：「人們提出了兩種可選擇的場景。一種就是穩態理論，在該理論中，隨著宇宙膨脹，暗物質被連續地創生以使得密度在平均上不變。因為穩態理論需要一個負能量場去創生物質，所以它從未擁有非常堅實的理論基礎。這會使它不穩定並容易導致物質和負能量無法控制地產生。但這個理論有一個巨大優點：它能給出確定的能夠由觀測來檢驗的預言。」
到了1963年，卡文迪許實驗室的馬丁賴爾的射電天文學小組經過觀測，發現了穩態理論存在問題。霍金教授在他的著作《我的簡史》中用專業的語言對穩態理論進行了科學的分析，那就是：「這些源在整個天空分佈得相當均勻。這表示它們可能在我們的星系外面，因為否則的話它們會沿著銀河系的方向集中。但是源的數目和源強度對比圖跟穩態理論預言不相符合。存在太多的微弱的源，表明源密度在遙遠的過去曾經較高。」
1965年，有專家發現了微波輻射的微弱背景，這給穩態理論帶來了沉重打擊。霍伊爾想出了很多辦法，但他不能解釋清楚關於輻射的問題。霍金得知這件事情以後，慶幸自己沒做霍伊爾的學生，如果霍伊爾收留了他，到現在，他一定會去支持穩態理論，即使明明知道這個理論是根本不可能站穩腳跟的。
霍金在《我的簡史》這本書中寫道：「我起初不理解要點是什麼。彭羅斯證明了，瀕臨死亡的恆星一旦收縮到一定的半徑，就會不可避免地存在奇點，空間和時間在奇點處終結。我想，我們確實已經知道，沒有任何東西可阻止大質量冷的恆星在其引力的作用下坍縮，直至它達到無限密度的奇點。」
後來，霍金認為：他和彭羅斯的奇點定理很原始，他們假設宇宙有個柯西面。但是，隨著他們進一步研究，他們發現了一個重要的問題。在《我的簡史》中有記載：「彭羅斯和我自己的原始的奇點定理需要假設，宇宙有個柯西面，那就是一個和所有粒子路徑相交一次並僅有一次的面。因此可能我們的第一條奇點定理只不過證明了宇宙不具有一個柯西面。儘管有趣，但在重要性上，這根本不能和時間有開端或終結相提並論。因此我著手證明不需要一個柯西面假設的奇點定理。」
於是，霍金把研究的結果整理成一篇論文。憑著這篇論文，他在劍橋獲得了亞當斯獎，那是1966年，霍金當年只有二十四歲。如此年輕，就獲得了這樣大的成就，確實是有著不一般的才華。那時候的他，已經患上了運動神經元疾病，但還能拄著拐杖行走；那個時候的他，剛剛和簡結婚，他們的孩子還沒有出生；那時候的他，二十四歲的年齡，卻已經在天文物理學界嶄露頭角。
後來，霍金和喬治艾里斯合著的《時空的大尺度結構》就是在這篇論文的基礎上寫成的。這部專著在1973年由劍橋大學出版社出版，從那以後，霍金就不再探討時空因果結構，這就成為了他在這個研究課題方面的最後作品。
霍金在《我的簡史》這本書中，談到時空的因果結構的時候，寫道：「時空的因果結構是時空的哪些點能夠影響其他點處的事件。我願意告誡一般讀者不要嘗試查看該書。它是高度專業性的。」
霍金和喬治合作的那本書，確實是一本專業性很強的書。宇宙大爆炸也是屬於專業性很強的東西，筆者為了能更精確一些，在涉及這方面理論的時候，都引用了霍金在自傳里寫的內容。引用這些東西，只是讓讀者了解宇宙大爆炸其實是存在的。
美國天文學家希爾克在他的著作《宇宙的起源與演化——大爆炸》這本書中，談到大爆炸理論的時候，是這樣說的：「早期宇宙非常熾熱、非常緻密，同時也許還是很不規則的。這種不規則性和各向異性逐漸消失了。在大爆炸后數分鐘內出現了一些核反應，宇宙中幾乎所有的氦就是在那時合成的。隨著膨脹的進行，宇宙逐漸變冷，就像熱空氣邊膨脹邊冷卻一樣。」
時間進入1970年，在霍金的生活和事業中有兩件重大的事情，一是他的女兒出生了，二是他對黑洞理論的研究成為他最著名的科學成果。與研究宇宙大爆炸不同，黑洞被證明是確實存在的，早在1967年，加拿大的專家伊斯雷就對黑洞進行過研究，他認為黑洞應該是球形的。
提起黑洞，有的人認為黑洞就是黑的，它不會發射出任何光芒。對於黑洞，在二百多年前，也就是1783年，有位叫約翰米歇爾的教師，就曾在當時的《倫敦皇家學會哲學學報》發表過一篇題為《暗星》的論文，他在論文中寫道，「有一顆恆星，它有很強的引力場，裡面沒有光。」米歇爾認為，宇宙中會有很多這樣的恆星存在，其實，他發現的這種恆星就是後來被天體物理學家稱之為「黑洞」的東西。
幾年後，法國科學家拉普拉斯侯爵也有了與米歇爾相似的想法，這位法國侯爵把發現黑洞的想法寫進了書里，不過後來，他的書《世界系統》中把黑洞的設想去掉了，後人不知道這位侯爵刪除的原因是什麼。霍金對公眾說：「也許侯爵認為他的想法一定是瘋狂的。」
1915年愛因斯坦的廣義相對論出現，得出了一個理論：引力如何影響光的協調。但是，愛因斯坦從沒接受黑洞理論。以後，二戰爆發了，原本對黑洞感興趣的奧本海默開始研究原子彈，戰爭改變了專家學者的研究方向。
二戰結束后，人們對原子和核物理產生了濃厚的興趣，很多專家都開始研究這些學問，黑洞的研究被專家們遺忘了，就這樣，又過去了二十年。
從1960年開始，隨著類星體的發現，人們又開始關注天體物理學，沉睡的天體物理學重新蘇醒過來。
什麼是類星體？霍金在《我的簡史》中做出了回答：「類星體是非常緻密和具有非常強大的光學和射電的源的極遙遠物體。物體落入黑洞是僅有的能夠解釋在空間這麼小的區域里產生這麼多能量的貌似有理的機制。」此時，奧本海默的研究又被人們重新發現了，專家們開始繼續進行黑洞理論的研究。
霍金在應用數學和理論物理系的門上貼了一張紙，上面寫著一句話：「黑洞是看不見的。」系主任看到這張紙，非常生氣。
霍金的黑洞理論是在1970年11月的夜晚誕生的。那天夜晚，關於黑洞方面的研究終於有了想法，他感到特別興奮。於是，整個晚上，他都在思考這個問題，終於明白了：他的因果結構理論適合於黑洞。
霍金在《我的簡史》中寫道：「這個理論的一切都是在黑洞毫無觀測證據之前發展的，這表明費恩曼講的，活躍的研究領域必然由實驗來驅動的說法是錯誤的。證明宇宙監督假設是一個從未解決的問題，儘管一些去證偽它的企圖都失敗了。它對於所有黑洞研究都是基本的，所以我對它是真理具有強大的既得利益。」
圍繞著這個問題能有什麼樣的結果，霍金與基普索恩以及約翰普列斯基爾打賭。霍金知道，他能成為贏家，那不是一件容易的事情；他如果輸掉了，那倒是很可能的事情，他們很容易找到裸奇點的反例。
霍金是個幽默的人，他把他的觀點「自然厭惡裸奇點」印在了T恤上，作為彩頭，這讓他的對手心情很不好。
霍金髮表論文《時空的大尺度結構》后，時間到了1973年，他的女兒露西3歲了，大兒子羅伯特6歲了，他忽然感覺到沒有事情可以去做，心裡空蕩蕩的。以後要進行什麼研究，霍金又陷入了思考。下一步，霍金打算將廣義相對論與量子論結合在一起，也就是說，將大理論與小理論結合起來。遺憾的是，當時的霍金沒有量子論方面的背景，他從沒有專門研究過量子論。
那個時候，霍金就覺得，如果他先研究奇點定律，似乎有些困難。在霍金的自傳《我的簡史》中有這樣一段：「作為熱身準備，我轉而考慮由量子論制約的粒子和場在鄰近黑洞時會如何行為。特別是，我極想知道，能存在在極早期宇宙形成的極微小的太初黑洞為核的原子嗎？」
為了尋找這個問題的答案，霍金開始認真研究，接下來的研究結果，卻讓他吃驚不小，他發現了從黑洞出來的輻射是存在的。霍金以為可能是計算出現了錯誤，但是在經過仔細地計算以後，他終於承認從黑洞出來的輻射是存在的這一個觀點，確實是真實的。
霍金得出一個結論，他在《我的簡史》中寫得很清楚：「源自黑洞的輻射會攜帶走能量，黑洞因此而損失質量並縮小。看來，黑洞最終會完全蒸發並消失。這引起了直插物理學核心的一個問題。我的計算暗示，輻射是嚴格的熱性的和隨機的，如果黑洞的面積是黑洞的熵。情況就必須如此。」
這就給天體物理學家們出了一道有趣的智力問題：黑洞內的信息留下的輻射是如何把信息帶走的呢？這個觀點爭論了三十年，在霍金沒有找到解決這個問題的辦法之前，爭論了三十年，沒有任何進展。後來，霍金提出了自己的觀點，他在《我的簡史》一書中寫道：「信息並沒有丟失，不過不以有用的方式返回。」霍金打了一個形象的比喻：有人燒掉了一部百科全書，然後把焚燒的書灰收藏起來，從技術上來說，百科全書中的信息沒有損失。但是，如果有人再想去閱讀這本百科全書，那就是不可能的了。
有趣的是，霍金喜歡和同行打賭的毛病又犯了，他又和索恩以及普列斯基爾打賭了。結果，普列斯基爾贏了，霍金又輸了。霍金送給他一套關於棒球的百科全書，但是，他個人還是認為，給他的是棒球百科全書的灰燼。