或许是当今世界最著名的在世科学家斯蒂芬·霍金教授，其博士论文最近被公开发布在网上。论文大受欢迎，据报道，最初上传时，阅读需求曾让托管网站崩溃。
不过，考虑到论文主题“膨胀宇宙的性质”十分复杂，而且霍金的著作《时间简史》也被称为史上最难读的书，你或许会想先了解它的主要结论。
论文涉及多个主题，包括当时新近发现的引力辐射，但许多物理学家认为，最后一章最为重要。该章探讨宇宙本身的诞生，标题简洁地写作“奇点”。
宇宙起源理论
霍金这篇论文的主要成就在于有力地表明，大爆炸理论——即宇宙始于一个点的理论——在物理上是可能的。这并非物理学家为描述宇宙可能的演化而建立的方程中，偶然冒出的一个数学难题。
宇宙在有限久远的过去始于大爆炸，这一概念如今已是公认的科学事实，但依然令人惊叹。想象一下：你身体里的所有物质，曾经以某种形式被压缩在一个极小的体积中；遥远星系以及两者之间的一切，也都曾处于同样大小的空间里。大约在140亿年前，这个点迅速膨胀，创造出空间和时间。时至今日，宇宙仍在膨胀。
20世纪60年代霍金攻读博士学位时，科学家们仍在争论这一观点。大爆炸理论的一种流行替代说法是稳恒态模型。稳恒态模型的支持者难以接受宇宙有一个有限的年龄，并以这种方式起始。事实上，“大爆炸”这个称呼是由稳恒态理论的代表人物弗雷德·霍伊尔创造的，原本带有嘲讽意味。要理解霍金如何证明大爆炸确实可能，我们需要先了解一些基础物理知识。
时空与奇点
20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦通过提出广义相对论，彻底革新了人类对引力的理解。爱因斯坦指出，我们可以将引力视为时空的曲率，而这种曲率由质量或能量的存在造成。
时空是一种理解宇宙框架的方式，它将三维空间和一维时间结合起来。所有物体都存在于时空中的某处，所有事件也都发生在时空中的某处。但大多数人很难想象时空：虽然我们可以在三维空间中自由移动，却无法在时间中随心所欲地穿行。这有点像一只被困在池塘表面的昆虫。尽管还有另一个空间维度可供探索，它却只能在两个维度上移动。
广义相对论阐明了空间与时间之间的联系。在他的理论中，爱因斯坦通过“场方程”优雅地描述了时空曲率与质量和能量密度之间的关系。
这些方程发表后，其他科学家利用它们探索不同物理情境下时空会发生什么变化。对于所有物质都集中在一个点上的天体，场方程会给出一个不同寻常的预测：时空曲率会变得极端，甚至连光也无法逃逸。如今我们知道，这类天体确实以黑洞的形式存在，此后我们也在太空中发现了它们的证据。方程的解变为无穷大的这类情形被称为“奇点”。霍金论文的最后一章探讨了奇点这一概念，但研究对象不是黑洞周围的时空，而是整个宇宙。
从黑洞到大爆炸
在宇宙学中，一个核心原则是，空间平均而言必须是均匀且各向同性的。换句话说，在大尺度上，宇宙中的物质必须相当均匀地分布，从各个方向看都大致相同。
满足这些条件的爱因斯坦场方程最简单的解称为“罗伯逊–沃克度规”，以参与其发展的科学家命名。度规是我们用来描述时空中两个事件之间间隔的术语。
重要的是，罗伯逊–沃克解允许度规的空间部分随时间变化。这意味着它可以描述空间本身正在膨胀的宇宙。埃德温·哈勃在20世纪20年代发现了宇宙确实在膨胀的证据：他表明，其他星系正在远离我们。
罗伯逊–沃克度规和场方程使我们能够用宇宙学家所说的“尺度因子”来描述这种膨胀。尺度因子表示从某个特定时刻到现在，空间膨胀或收缩了多少。
如果宇宙正在膨胀，那么过去的宇宙应该更小、密度更高。只要把时间往回推得足够久，尺度因子就应趋于零。宇宙中的所有物质和能量必定曾被包含在一个密度无限大的点中：一个宇宙学奇点。这就是大爆炸模型的基础，有点像黑洞的逆过程。
摒弃稳恒态模型
稳恒态模型试图消除宇宙学奇点，许多人认为奇点并不合理。奇点被视为广义相对论预测中的缺陷，与已知物理定律不符。
在稳恒态模型中，宇宙永恒存在，根本没有起点。它表面上的膨胀可以通过在爱因斯坦方程中加入一个“创生场”，或称 C 场，来解释：随着星系彼此远离，星系之间的空间会不断产生物质。
但在博士论文的最后一章中，霍金认为，C 场这一设想本身也带来了一系列问题；正确的模型应包含描述初始奇点的罗伯逊–沃克解。
接下来的发现被许多人视为开创性的。在英国物理学家同行罗杰·彭罗斯的研究基础上，霍金用数学证明，奇点并非理论缺陷，而是自然界中可以预期的特征。他有力地证明，广义相对论允许一个始于奇点的宇宙。
半个世纪后，支持大爆炸起源图景的观测证据已压倒性地充分，稳恒态模型也早已被弃用。此后，霍金又为宇宙学和理论物理学作出了更多里程碑式的贡献。阅读霍金的论文，能让人一窥一位极具创造力的头脑，也能看到一段非凡科学探索旅程的最初步伐。
