斯蒂芬·霍金是一位坐在轮椅上的宇宙学家，量子引力论的奠基人，他提出了无边界宇宙模型。 奇点哈勃的发现展示了膨胀宇宙的图景。但是，我们现在所处的是宇宙生命史中比较晚的时期。如果逆转宇宙的膨胀，并且沿着时间回溯，就会遇到某种“开端”。那时，宇宙中的全部质量都挤压在某种无限致密的状态中，这种状态称为“初始奇点”或者称为“大爆炸”。根据今日观测到的宇宙膨胀速率，以及这种膨胀正在减慢的速率来判断，初始奇点存在于150亿年以前。时间、空间和物质肇始于这一次大爆炸，我们今天的宇宙即从炽热、稠密的物质和能量，“大爆炸”而形成。随着它的急剧膨胀和冷却，逐渐衍生成众多的星系、星体、行星，直至出现生命。20世纪30年代初期，许多宇宙学家对于宇宙膨胀表明它具有某种密度无限的奇点的假想提出异议。一些人认为，宇宙中物质和辐射所施加的压力将阻止它挤压到体积为零，也许会反弹开来。另一些人则认为，密度无限大的初始奇点的想法的出现，乃是由于我们采纳了在所有方向上都以相同速率膨胀的图像。如果膨胀有一些各向异性，就有可能避免形成一个奇点。根据著名理论物理学家爱因斯坦的质量和能量等价（E=mc2）定律，附加的压力其实是助长了奇点的产生。压力是能量的另一种形式，它等价于质量，当它变得非常巨大时，就会产生一种相对抗的引力。当人们把爱因斯坦的引力理论，用于发现在不同方向上以不同速率膨胀的宇宙时，奇点依然存在。于是，人们对传统的奇点定义——“密度和温度无限大的地点”作出修改。新的定义是：“当任何光线穿越空间与时间的轨迹达到某个终点而不能继续延伸时，在该处便出现了一个奇点。”新定义的妙处体现在：光线在轨迹的尽头抵达了时空的边缘，它从宇宙中“消失”了。如果密度在某处变成无限，时空不复存在，就会导致光线轨迹的终止。奇点作为宇宙的边缘的图像是很有用的，它绕过了由宇宙的形状、压力，或由于用坐标描述它的随意性而引起的所有问题。20世纪60年代中期，自彭齐亚斯和威尔逊发现微波背景辐射之后，人们开始认真地考虑大爆炸的想法，宇宙学家则集中注意宇宙是否具有奇点开端的问题，人们不再沿着时空回溯，而是致力于发现宇宙过去是否含有奇点——时间的某种开端。彭罗斯证明，如果宇宙中的物质施加的引力总是表现为吸引，并且宇宙中存在足够的物质，则物质的引力效应使人们不可能无限地沿着时间往回追踪所有的光线。某些光线必定会到达一个终点——奇点，这就可用来印证大爆炸的预言。1970年，彭罗斯和霍金合作的论文证明，假定广义相对论是正确的，宇宙包含这么多观测到的物质，则过去必须有一个大爆炸奇点。这虽然遭到许多人的质疑，但几乎人人都同意宇宙是从一个大爆炸奇点开始的假定。有趣的是现在霍金又改变了想法，并试图说服物理学家。他力主在宇宙的开端并没有奇点的设想，因为只要考虑了量子效应，奇点就会消失。在不到半个世纪的时间里，几千年来形成的关于宇宙的观点被改变了。哈勃的发现，使我们意识到地球在茫茫的宇宙中微不足道，只是个小不点。随着实验和理论的积累，人们认识到宇宙在时间上必须有个开端。1970年，霍金和彭罗斯的证明发现：广义相对论是一个不完全的理论，它不能告诉我们宇宙是怎样开始的，因为包括它在内的物理理论都在宇宙开端失效。奇点定理显示，在早期宇宙中有过一个时刻，那时宇宙是如此之小，以致人们必须考虑量子力学的小尺度效应。宇宙学家被迫从宏观世界的理论研究转到微观世界的理论研究。把两种不相协调的理论结合在一起形成量子引力论，是霍金天才的创造。 黑洞黑洞这一术语是1969年由美国学者约翰·惠勒提出的。当时对于光的本性有两种对立的理论，一种是光的微粒说；另一种是光的波动说。由于量子力学“波粒二象性”的提出，这两种对立的理论被统一为光的波粒二象性理论，即光既可被认为是波，也可被认为是粒子。人们可以预料，如果光是由粒子组成，就会像炮弹和行星那样受引力的影响。但在光的波动说中，人们则不清楚光对引力将如何响应。宇宙中可能存在着大量的恒星，只是由于它们发出的光不会到达我们这里，则使我们“看”不到它们，但仍可以感到它们的引力的吸引作用。这就是存在于空间的黑的空洞，称为黑洞。为了理解黑洞是怎样形成的，首先需理解恒星是有生命周期的。当初大量的气体氢因受自身引力吸引，坍缩而形成恒星。当气体氢收缩时，氢原子频繁碰撞而温度上升，最后聚合形成氦。核反应释放出热使恒星发光，并使气体压力升高直到足以平衡引力，这时体积停止收缩，在很长时间内体系会维持住这种平衡。但是，最终恒星会耗尽氢和其他核燃料，使平衡不复存在。恒星的质量越大，就必须越热才足以抵抗吸力，它的燃料就消耗越快。太阳大概可以再燃烧50多亿年，而质量更大的恒星用完其燃料的时间也许不超过1亿年。1．白矮星当恒星变小时，物质粒子靠得非常近，按照泡利不相容原理，它们必须有非同寻常的速度。恒星中粒子的最大速度被相对论限制为光速，这意味着当恒星变得足够紧密时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用大。如果一颗恒星的质量比极限小，它最后会停止收缩变成一颗半径为几百万米、密度为每立方厘米几十吨的白矮星。白矮星是靠物质中电子之间的不相容原理而产生的排斥力所支持的。2．中子星中子星是恒星的另一个终态，极限质量为太阳的1倍或2倍，体积比白矮星小，半径约为16千米，密度为每立方厘米几千万吨。它是由中子和质子之间不相容原理排斥力所支持的冷的恒星。3．小绿人（Little Green Man）1967年，英国剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现，天空中存有能发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初她的导师安东尼·赫维许以为，他们可能和星系中的外星文明有了接触。他们将这4个最早被发现的源称为LGM1～4的物体，表示为小绿人1～4号。最后发现，这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星。这些中子星由于它们的磁场和周围物质的相互作用，而发出无线电波的脉冲。这是第一个中子星存在的证据。4．黑洞的形成质量比极限大的恒星在耗尽燃料时，会爆炸或抛出物质，使其质量减少到极限之下，以避免坍缩。大多数科学家认为，一颗恒星不可能缩成一点。爱因斯坦曾写论文宣布，恒星的体积不会收缩为零。印度学者强德拉塞卡指出，不相容原理不能阻止质量大于极限的恒星发生坍缩。现代天文观测发现，当恒星收缩时，其表面引力场变强，光线向内偏折，使光线从恒星逃逸变得困难。当收缩到某一临界半径时，引力场使光锥（光线从顶端发出后在空间-时间里传播的轨道）向内偏折以致光线再也逃逸不出去。根据相对论，没有东西走得比光还快，光逃不出来，其他东西就更不可能逃逸，都会被引力拉回去。也就是说，存在一个区域称为黑洞，光或任何东西都不可能从该区域逃走。按照黑洞的定义，它不能发出光，因而我们想检测它就好比在煤库里找黑猫。但是，黑洞可将它的引力作用到周围的天体上。天文观测家有证据表明，在我们星系的中心有大得多的黑洞，质量是太阳的10万倍，星系中恒星如果十分靠近黑洞，则引力差会将恒星撕开，残骸将掉入黑洞。极早期的宇宙中，在高温高压条件下会产生小质量的黑洞。早期宇宙必须存在一些无规则的性质，否则现在宇宙中的物质分布仍然会是完全均匀的，而不能结块形成恒星和星系。如果我们能确定有多少原初黑洞，我们就能对宇宙的早期了解很多。据估计，质量大于10亿吨的原初黑洞是有可能从它对宇宙膨胀的影响探测到的。实际上黑洞并不真正是黑的，它同样在发光，且越小发光越强。所以小的黑洞将比大黑洞更容易探测到。 第一推动力在经典的广义相对论的框架里，霍金证明了，在一般条件下，空间-时间一定存在着奇点——黑洞里的奇点及宇宙大爆炸处的奇点。奇点可以看成空间-时间的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条件，才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化结果。由于边界条件似乎只能由宇宙外的“造物主”给定，所以宇宙的命运就控制在“造物主”手中，这就是从牛顿时代起一直困扰人类的第一推动力问题。如果空间-时间没有边界，那就不必劳驾上帝进行第一推动了。这只有在量子引力论中才能做到。霍金认为，宇宙的量子态是处于一种基态，空间-时间可看成一个有限的、无界的四维面，正如地球的表面一样，只不过多了两个维数。宇宙中的所有结构，都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。他证明了黑洞的面积定理，即随着时间增加，黑洞的面积不减。1973年，他考虑黑洞附近的量子效应时，发现黑洞会像黑体一样发出辐射，其辐射温度和黑洞质量成反比，这样黑洞就因辐射而慢慢变小，温度却越变越高，最后一刻以爆炸而告终。1974年，他由量子引力论提出，空间-时间在普朗克尺度（10-33厘米）下不是平坦的，而是处于一种泡沫状态。在量子引力中不存在纯态，因果性受到破坏。霍金在经典物理框架里，证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性，且黑洞越变越大；但是在量子物理的框架里，黑洞却因辐射而越变越小。大爆炸的奇点不但被抹平，而且整个宇宙起源在此。他提出，黑洞蒸发对应于宇宙粒子的生成，黑洞和宇宙在许多方面有相似之处。在此基础上，他提出了无边界宇宙模型。今天，科学家按照两个基本的理论，即广义相对论和量子力学来描述宇宙。广义相对论描述的是引力和宇宙的大尺度结构，范围从几千米到1.6093×1024千米（可观测到的宇宙范围的尺度）。而量子力学描述的是极小的尺度，例如10-12英寸（1英寸=2.5400厘米）。两个理论不能互相协调，但霍金寻求到了一个能将两者合并在一起的理论——量子引力论。我们认识的两大前沿——物质基本组分的微小世界与恒星和星系的天文世界，以始料未及的方式汇合到了一起。