史蒂芬·霍金作品

史蒂芬·霍金，OCH，CBE，FRS，FRSA，是英国著名物理学家，剑桥大学理论宇宙学中心研究主任。霍金对于理论宇宙学做出重要贡献，特别是对于黑洞奇点、霍金辐射的研究。

霍金宇宙论

霍金先后与不同学者合作提出多项学说，改变了人类对宇宙诞生的看法。他与潘洛斯共同建构的奇性定理阐明，宇宙必须有一个初始奇点，时间与空间就是从这初始奇点开始演化。这定理肯定了同时代其他学者开创的宇宙大爆炸理论，推翻古典物理学有关时空是永恒存在的稳恒态理论。霍金进一步在创建的“宇宙无边界论”里指出，“宇宙的边界条件应该很特别，有什么条件会比无边界条件更为特别？”他认为，所有值得纳入总合历史计算的宇宙模型都会弯曲回自己，这种模型不需要设定边界条件或像奇点一类的奇怪初始条件。
在黑洞研究方面，霍金发现，黑洞并非完全漆黑一片，黑洞会发射出一种辐射（后来被称为霍金辐射），这种辐射的辐射出射度与黑洞质量成反比，对于宏观黑洞，辐射出射度很微小，但由于原生黑洞是在宇宙初期温度非常炙热时的产物，辐射出射度很大，因此质量消耗很大。有些原生黑洞的寿命跟宇宙年龄相等，它们的质量如果没有耗尽，则会在近期耗尽，这会造成非常稀有但可观察到的黑洞蒸发现象。

学说背景

在古典物理学中，一般相信时间和空间，是一个独立于自然界的概念，可以永久存在，但1915年，爱因斯坦发表广义相对论中提出，时间和空间并非绝对，不是独立于事件的背景，因此，学者对于时间的看法彻底地转变。
爱德温·哈伯在1920年代使用100英寸虎克望远镜观察天文时，发现恒星并非均匀分布于整个空间，而是聚集在星系里。他又发现，几乎所有星系都出现红移现象，即随着时间流易，它们离地球越来越远，而且星系离地球越远，离开的速率亦越快（这就是著名的哈伯定律）。这项发现带来新的问题：在更早的时候，所有星系是否离地球更近，宇宙是否有一个的开端？
在那时，很多物理学者尝试解释这种现象。英国学者赫尔曼·邦迪、汤马士·戈尔德和霍伊尔提出的稳恒态理论阐明，在任何时刻，宇宙的状态在过去、现在与未来都很相像，持续地扩展，而新生物质也会持续地填补扩展所形成的空间。这理论要求新物质的持续生成率大约为一个粒子每年每千米立方。稳恒态稳恒态理论不严格要求宇宙必需具有开端，这一点与大爆炸理论不同。
俄国学者叶夫根尼·利夫希茨和艾萨克·哈拉尼科夫则提出，当今处于膨胀阶段的宇宙可能不是开始于大爆炸，而是延续先前处于塌缩阶段的宇宙。实际而言，微扰会使黑洞的奇点变得不稳定，因此，在宇宙塌缩的过程中，很可能因为微扰而使得奇点无法形成，所以，不是所有物质都会塌缩至一个奇点，密度不会变得无限高，这样可以避免宇宙有开端的说法。

奇性定理

贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊于1964年测量到具有各向同性、温度为2,7K的宇宙微波背景辐射。根据大爆炸理论，早期宇宙必定非常酷热与致密，随着宇宙膨胀，辐射应该会大幅度红移，波长变长、频率降低，至今变成微波。因此，这发现为大爆炸理论提供了有力的证据，并且彻底摧毁了稳恒态理论。
在这之前，霍金已对稳恒态理论持怀疑态度。当时潘洛斯正在研究黑洞的奇点，他引入拓扑学方法来研究黑洞，并且理论证明利夫希茨和哈拉尼科夫的论述有误：在每一个黑洞的中心必定存在着一个奇点；在那里有无限高的密度、无限强的引力、无限大的时空曲率。霍金设想，若逆着时间回至宇宙诞生之时，全部物质聚成一点，这亦即为奇点。霍金应用潘洛斯的方法成功证明，如果广义相对论正确，宇宙具有足够物质，则在宇宙起源将会有一个奇点。
霍金的原本表述保证在宇宙起源会有一个奇点，后来，他改变了他的主张，他表示，实际而言，宇宙最初不存在奇点，这是因为广义相对论不是一个完整理论，在宇宙初始时期，早于普朗克时期，由于宇宙的尺寸非常微小，不能忽略量子力学的效应，只靠广义相对论来证明奇点存在是不正确的，必需使用量子力学及广义相对论合并而成的量子引力学理论来研究这论题。

霍金辐射

在1970年以前，大多数物理学者认为黑洞只会吸进物质与电磁波，因此四周“漆黑”一片，黑洞的质量亦会随之上升。霍金于1974年指出，依据不确定性原理，宇宙真空并不是完全空无一物，由正能量粒子与负能量粒子组成的粒子对，会不停的生成，负能量粒子不能长久存在，是虚粒子，它必须与正能量粒子在短暂时间内相遇，因此相互湮灭，这样才不会违反能量守恒定律；假若有虚粒子对出现在黑洞的事件视界外的邻近区域，而其中负能量粒子被吸入黑洞，并且从强劲的引力场获得能量，则正能量粒子就能够自由逃逸，因此，能量会被辐射出去，黑洞质量会逐渐减小，最终会消失。假若黑洞质量越少，则辐射发射速率越快，加速黑洞的消失。这理论显示出，量子力学可以除去广义相对论所预测的奇点。或许，量子引力学理论也能避开这棘手的奇点。
这种从黑洞中释出的能量，被称为霍金辐射，由于辐射出射率极其微弱，物理学者无法从观察到它存在的确证。即使黑洞会发射出霍金辐射，其辐射出射率很弱，并且黑洞还会不停地从宇宙背景辐射吸收能量，这意味着只有当霍金辐射大于宇宙背景辐射时，黑洞的质量才会缓慢减少，并且必需要经过极长时间后，才能耗尽能量，造成蒸发。这并不意味无法观测到黑洞蒸发，有一种在宇宙初期形成的原生黑洞，由于温度很高，会发射出大量霍金辐射，有些原生黑洞的寿命大约与宇宙的年龄相等，此时此刻，如果尚未蒸发，它们很可能发射出大量伽玛射线。2008年美国国家航空航天局发射费米伽玛射线空间望远镜，它可以寻找原生黑洞在蒸发时所发射出的伽玛射线特征信号。根据额外维度理论，大型强子对撞机也有可能制成微黑洞。

应用性未确立

比较相对论及霍金的学说的应用性，前者对引力及能量的描述，为人类带来核能发电，而霍金的宇宙论，尚未能直接应用于现代科技。但是，注意到适当尺寸的原生黑洞能够发射出功率达到10吉瓦的伽玛射线，假若在不久的将来，物理学者能够找到这类原生黑洞，并且发展出高端科技来利用这种能源，则黑洞学可以带给人类更多实质利益。