霍金的第一大理論便是“奇點定理”。1965年，當時博士還沒畢業的霍金準備找一個博士論文題目，結果他看到了英國物理學家羅傑-彭羅斯發表的一篇關於黑洞的論文。黑洞是一種引力極大的天體，引力大到連光都無法逃脫，研究認為，大質量恆星在生命的盡頭，恆星核心會因為引力而坍縮，發生超新星爆發，所殘留的部分便是黑洞。黑洞的表面被稱為“事件視界”，掉入事件視界以內的任何物質都無法逃離出來。同時，這些物質或光會被強大的引力壓縮到位於黑洞中心的、密度無窮大的一個點，這個點被稱為“奇點”。令人難以理解的是，一切已知的物理理論在奇點處都會失效，其中也包括相對論。於是科學家猜測，實際上可能並不存在所謂的奇點。不過彭羅斯卻在這篇論文中嚴密地證明:一旦形成事件視界，在視界內部必然會產生一個奇點。

博士時代的霍金

彭羅斯

讀了彭羅斯的論文後，霍金敏銳地意識到，如果時間反演的話，那麼彭羅斯的證明其實也同樣適用於宇宙的開始。我們知道，現在的宇宙依然在不斷膨脹，如果時間能夠倒流的話，那麼可以想象，現在的宇宙會不斷縮小，最終坍縮為一個密度無窮大的點。就這樣，透過將時間反演，霍金從數學上證明了，根據廣義相對論，宇宙誕生時也必然存在一個奇點，這就是奇點定理。

是不是感覺太簡單了，別慌，霍金的第二大理論我估計你就聽不懂了，因為我壓根就說不明白，這就是“無邊界假說”。剛才說到，如果只是根據廣義相對論考慮的話，那麼宇宙必定誕生於一個奇點，雖然證明沒什麼問題，但是奇點的存在卻給物理學家帶來了無盡的煩惱，原因就在於在奇點處，廣義相對論會失效，也就是說，我們永遠也無法弄清楚在宇宙誕生的瞬間到底發生了什麼。那麼該怎麼辦呢?霍金想到了量子論。量子論研究的是微觀物理世界的基本規律，而奇點正是這樣一個極其微小的點，於是，霍金深入貫徹落實將量子論與廣義相對論結合起來的指導方針，開展了有關宇宙起源的研究。

根據量子論，微觀粒子具有類似波的性質，這種粒子的狀態就是所謂的“波函式”。霍金利用波函式表示坍縮成極其微小的宇宙整體，從而研究了宇宙的規律。利用波函式來研究宇宙規律，有一個前提，那就是首先必須確定波的另一端，也就是宇宙的另一端是怎樣的，而在這裡，宇宙的邊界便是指宇宙的開始。於是，霍金提出了一個具有劃時代意義的猜想，他認為，宇宙的邊界條件就是宇宙沒有邊界，這樣一來，就可以去除掉宇宙誕生時所必須存在的奇點。

好了問題來了，宇宙沒有邊界這句話到底是什麼意思呢?霍金認為，宇宙之初流逝的並不是普通的時間，而是虛數時間。我們知道，虛數的平方是負數，當然了雖然我們瞭解這一點，但虛數時間是什麼卻說不清，總之，如果是這種特殊時間的話，那麼就沒有時間與空間的區別，也就無從得知到底哪裡是邊界，這就是無邊界假說。霍金認為，宇宙始於時間與空間沒有任何區別的狀態，當普通的時間，也就是實數時間在某一時刻開始流逝之後，宇宙才開始了急劇膨脹，並最終形成了我們今天的宇宙。是不是沒聽懂，沒聽懂那就對了，我都不知道我剛才說了什麼。沒聽懂也不要緊，你反覆仔細琢磨幾次，琢磨琢磨就睡著了。

霍金的第三大理論便是大名鼎鼎的“霍金輻射”。前面說過，按照過去的理論，物質一旦掉入黑洞，就再也無法逃逸出來。所以人們都認為，黑洞的質量只能不斷增加，它的慾望是無窮的。不過霍金卻認為，如果應用量子論的話，黑洞有可能釋放出光子等各種粒子而喪失質量，就像一杯水一樣，最終它會蒸發消失。那麼為什麼會這樣呢?還得靠量子論來解釋。

量子論認為，宇宙空間中並非空無一物，即便是在去除所有物質與電磁波的真真空中，也蘊藏著巨大的能量，而且能量還在不斷地漲落。如果在基本粒子水平的微觀尺度上觀察真空的話，粒子藉助於能量漲落，時時刻刻都在成對地生成與成對地湮滅。

而在黑洞表面附近，同樣的事情自然也在發生。不過情況還稍有不同，那就是粒子對中的一個會進入事件視界的內側，並不斷地墜向黑洞的中心，此時的它就再也無法與它的基友相遇了。這樣一來，剩下的一個粒子就會失去湮滅的物件，於是這哥們就向黑洞外側逃逸，看上去就像是黑洞向外發射粒子，這就是所謂的“霍金輻射”。

霍金輻射

此時，墜入事件視界內的粒子由於受到巨大引力的影響而獲得“負能量”，剩下的另一個粒子則獲得正能量。根據質能方程，能量與質量在本質上是相同的，是可以相互轉換的，所以，吞噬了攜帶負能量粒子的黑洞就會減少相應的質量，一點點地將自己蠶食殆盡。

霍金悖論，由英國理論物理學家斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942-2018）提出的一個科學悖論：黑洞不可能透露出東西，所有那些被黑洞吞噬的東西將永遠置身於我們的宇宙之外。

為了解決這個“霍金悖論”，引發了平行宇宙的概念，或者說有多個宇宙共存的說法。霍金悖論與量子理論相牴觸。

霍金主要研究領域是宇宙論和黑洞，證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理。

提出了黑洞蒸發理論和無邊界的霍金宇宙模型，在統一20世紀物理學的兩大基礎理論——愛因斯坦創立的相對論和普朗克創立的量子力學方面走出了重要一步。