[爱因斯坦广义相对论]广义相对论

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广义相对论一:广义相对论课件

　　广义相对论（General Relativity） 描写物质间 引力相互作用的理论。其基础有A. 爱因斯坦于1915年完成，1916年正式发表。这一理论首次把引力场 解释成时空的 弯曲。下面是小编为你带来的广义相对论课件 ，欢迎阅读。
　　概念介绍
　　黑洞
　　爱因斯坦的广义相对论理论在 天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个 黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出；而多大质量的恒星会塌陷为黑洞则是印裔物理学家 钱德拉塞卡的功劳—— 钱德拉塞卡极限（ 白矮星的质量上限）。
　　引力透像
　　有证据表明 恒星质量黑洞以及 超大质量黑洞是某些天体例如 活动星系核和 微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成 引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。
　　引力波
　　广义相对论还预言了 引力波的存在（爱因斯坦于1918年写的论文《论引力波》），现已被直接观测所 证实。此外,广义相对论还是现代 宇宙学的 膨胀宇宙模型的理论基础。 [2]
　　时空关系
　　19世纪末由于牛顿力学和（苏格兰数学家） 麦克斯韦（1831~1879年） 电磁理论趋于完善，一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束”，但当人们运用 伽利略变换解释光的传播等问题时，发现一系列尖锐矛盾，对经典时空观产生疑问。爱因斯坦对这些问题，提出物理学中新的 时空观，建立了可与光速相比拟的高速运动物体的规律，创立相对论。 狭义相对论提出两条基本原理。（1） 光速不变原理：即在任何 惯性系中， 真空中 光速c都相同，为299,792,458m/s，与光源及观察者的运动状况无关。（2） 狭义相对性原理：是指物理学的基本定律乃至自然规律，对所有惯性参考系来说都相同。
　　爱因斯坦的第二种相对性理论（1916年）。该理论认为引力是由空间——时间弯曲的几何效应（也就是，不仅考虑空间中的点之间，而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何）的畸变引起的，因而引力场影响时间和距离的测量。 [3]
　　万有引力
　　广义相对论：是一种关于万有引力本质的理论。爱因斯坦曾经一度试图把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，他终于认识到，狭义相对论容纳不了万有引力定律。于是，他将狭义相对性原理推广到广义相对性，又利用在局部 惯性系中万有引力与 惯性力等效的原理，建立了用弯曲时空的 黎曼几何描述引力的广义相对论理论。
　　狭义相对论
　　狭义相对论与广义相对论：狭义相对论只适用于惯性系，它的时空背景是平直的四维时空，而广义相对论则适用于包括非惯性系在内的一切参考系，它的时空背景是弯曲的黎曼时空。
　　物理应用
　　引力透镜
　　爱因斯坦十字：同一个天体在引力透镜效应下的四个成像
　　引力场中光线的偏折效应是一类新的天文现象的原因。当观测者与遥远的观测天体之间
　　还存在有一个大质量天体，当观测天体的质量和相对距离合适时观测者会看到多个扭曲的天体成像，这种效应被称作引力透镜。受系统结构、尺寸和质量分布的影响，成像可以是多个，甚至可以形成被称作*因斯坦环的圆环，或者圆环的一部分弧。最早的引力透镜效应是在1979年发现的，至今已经发现了超过一百个引力透镜。即使这些成像彼此非常接近以至于无法分辨——这种情形被称作微引力透镜——这种效应仍然可通过观测总光强变化测量到，很多微引力透镜也已经被发现。
　　引力波
　　艺术家的构想图：激光空间干涉引力波探测器LISA对脉冲双星的观测是间接证实引力波存在的有力证据（参见上文轨道衰减一节）。已经有相当数量的地面引力波探测器投入运行，最著名的是GEO600、 LIGO（包括三架激光干涉引力波探测器）、TAMA300和VIRGO；而美国和欧洲合作的空间激光干涉探测器LISA正处于开发阶段，其先行测试计划LISA探路者（LISAPathfinder）于2009年底之前正式发射升空。
　　美国科研人员2016年2月11日宣布，他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波。 研究人员宣布，当两个黑洞于约13亿年前碰撞，两个巨大质量结合所传送出的扰动，于2015年9月14日抵达地球，被地球上的精密仪器侦测到。证实了爱因斯坦100年前所做的预测。
　　对引力波的探测将在很大程度上扩展基于电磁波观测的传统观测天文学的视野，人们能够通过探测到的引力波信号了解到其波源的信息。这些从未被真正了解过的信息可能来自于 黑洞、 中子星或 白矮星等致密星体，可能来自于某些 超新星爆发，甚至可能来自宇宙诞生极早期的暴涨时代的某些烙印，例如假想的 宇宙弦。
　　黑洞和其它
　　基于广义相对论理论的计算机模拟一颗恒星坍缩为黑洞并释放出引力波的过程广义相对论预言了黑洞的存在，即当一个星体足够致密时，其引力使得时空中的一块区域极端扭曲以至于光都无法逸出。在当前被广为接受的恒星演化模型中，一般认为大质量恒星演化的最终阶段的情形包括1.4倍左右太阳质量的恒星演化为中子星，而数倍至几十倍太阳质量的恒星演化为恒星质量黑洞。具有几百万倍至几十亿倍太阳质量的超大质量黑洞被认为定律性地存在于每个星系的中心，一般认为它们的存在对于星系及更大的宇宙尺度结构的形成具有重要作用。
　　在天文学上 致密星体的最重要属性之一是它们能够极有效率地将引力能量转换为电磁辐射。恒星质量黑洞或超大质量黑洞对 星际气体和尘埃的吸积过程被认为是某些非常明亮的天体的形成机制，著名且多样的例子包括星系尺度的 活动星系核以及恒星尺度的 微类星体。在某些特定场合下吸积过程会在这些天体中激发强度极强的相对论性 喷流，这是一种喷射速度可接近光速的且方向性极强的高能等离子束。在对这些现象进行建立模型的过程中广义相对论都起到了关键作用，而实验观测也为支持黑洞的存在以及广义相对论做出的种种预言提供了有力证据。
　　黑洞也是引力波探测的重要目标之一：黑洞双星的合并过程可能会辐射出能够被地球上的探测器接收到的某些最强的引力波信号，并且在双星合并前的啁啾信号可以被当作一种“标准烛光”从而来推测合并时的距离，并进一步成为在大尺度上探测宇宙膨胀的一种手段。而恒星质量黑洞等小质量致密星体落入超大质量黑洞的这一过程所辐射的引力波能够直接并完整地还原超大质量黑洞周围的时空几何信息。
　　宇宙学
　　威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）拍摄的全天微波背景辐射的温度涨落现代的宇宙模型是基于带有宇宙常数的爱因斯坦场方程建立的，宇宙常数的值对大尺度的宇宙动力学有着重要影响。
　　这个经修改的爱因斯坦场方程具有一个各向同性并均匀的解：弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规，在这个解的基础上物理学家建立了从一百四十亿年前炽热的 大爆炸中演化而来的 宇宙模型。只要能够将这个模型中为数不多的几个参数（例如宇宙的物质平均密度）通过天文观测加以确定，人们就能从进一步得到的实验数据检验这个模型的正确性。这个模型的很多预言都是成功的，这包括太初核合成时期形成的化学元素初始丰度、宇宙的大尺度结构以及早期的宇宙温度在今天留下的“回音”：宇宙微波背景辐射。
　　从天文学观测得到的宇宙膨胀速率可以进一步估算出宇宙中存在的物质总量，不过有关宇宙中物质的本性还是一个有待解决的问题。估计宇宙中大约有90%以上的物质都属于暗物质，它们具有质量（即参与引力相互作用），但不参与电磁相互作用，即它们无法（通过电磁波）直接观测到。在已知的粒子物理或其他什么理论的框架中还没有办法对这种物质做出令人满意的
　　描述。另外，对遥远的超新星红移的观测以及对宇宙微波背景辐射的测量显示，我们的宇宙的演化过程在很大程度上受宇宙常数值的影响，而正是宇宙常数的值决定了宇宙的加速膨胀。换句话说，宇宙的加速膨胀是由具有非通常意义下的状态方程的某种能量形式决定的，这种能量被称作 暗能量，其本性也仍然不为所知。
　　在所谓暴涨模型中，宇宙曾在诞生的极早期（～10-33秒）经历了剧烈的加速膨胀过程。这个在于二十世纪八十年代提出的假说是由于某些令人困惑并且用经典宇宙学无法解释的观测结果而提出的，例如宇宙微波背景辐射的高度各向同性，而对微波背景辐射各向异性的观测结果是支持暴涨模型的证据之一。然而，暴涨的可能的方式也是多样的，现今的观测还无法对此作出约束。一个更大的课题是关于极早期宇宙的物理学的，这涉及到发生在暴涨之前的、由经典宇宙学模型预言的大爆炸奇点。对此比较有权威性的意见是这个问题需要由一个完备的 量子引力理论来解答，而这个理论至今还没有建立（参加下文量子引力）。
　　量子理论
　　如果说广义相对论是现代物理学的两大支柱之一，那么量子理论作为我们借此了解基本粒子以及凝聚态物理的基础理论就是现代物理的另一支柱。然而，如何将量子理论中的概念应用到广义相对论的框架中仍然是一个未能解决的问题。 [11]
　　量子场论
　　作为现代物理中 粒子物理学的基础，通常意义上的 量子场论是建立在平直的闵可夫斯基时空中的，这对于处在像地球这样的弱引力场中的微观粒子的描述而言是一个非常好的近似。而在某些情形中，引力场的强度足以影响到其中的量子化的物质但不足以要求引力场本身也被 量子化，为此物理学家发展了弯曲时空中的量子场论。这些理论借助于经典的广义相对论来描述弯曲的背景时空，并定义了广义化的弯曲时空中的量子场理论。通过这种理论，可以证明黑洞也在通过黑体辐射释放出粒子，这即是霍金辐射，并有可能通过这种机制导致黑洞最终蒸发。如前文所述， 霍金辐射在 黑洞热力学的研究中起到了关键作用。 [12]
　　量子引力
　　物质的量子化描述和时空的几何化描述之间彼此不具有相容性，以及广义相对论中时空曲率无限大（意味着其结构成为微观尺度）的奇点的出现，这些都要求着一个完整的量子引力理论的建立。这个理论需要能够对黑洞内部以及极早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相关的时空几何需要用量子化的语言来叙述。尽管物理学家为此做出了很多努力，并有多个有潜质的候选理论已经发展起来，至今人类还没能得到一个称得上完整并自洽的量子引力理论。
　　一个 卡拉比-丘流形的投影，由 弦理论所提出的紧化额外维度的一种方法量子场论作为粒子物理的基础已经能够描述除引力外的其余三种基本相互作用，但试图将引力概括到量子场论的框架中的尝试却遇到了严重的问题。在低能区域这种尝试取得了成功，其结果是一个可被接受的引力的有效（量子）场理论，但在高能区域得到的模型是发散的（不可 重整化）。
　　圈量子引力中的一个简单自旋网络
　　试图克服这些限制的尝试性理论之一是 弦论，在这种量子理论中研究的最基本单位不再是点状粒子，而是一维的弦。弦论有可能成为能够描述所有粒子和包括引力在内的基本相互作用的 大统一理论，其代价是导致了在三维空间的基础上生成六维的额外维度等反常特性。在所谓第二次超弦理论革新中，人们猜测 超弦理论，以及广义相对论与 超对称的统一即所谓 超引力，能够构成一个猜想的十一维模型的一部分，这种模型叫做M理论，它被认为能够建立一个具有唯一性定义且自洽的量子引力理论。
　　另外一种尝试来自于量子理论中的 正则量子化方法。应用广义相对论的初值形式（参见上文演化方程一节），其结果是惠勒-得卫特方程（其作用类似于 薛定谔方程）。虽然这个方程在一般情形下定义并不完备，但在所谓阿西特卡变量的引入下，从这个方程能够得到一个很有前途的模型：圈量子引力。在这个理论中空间是一种被称作自旋网络的网状结构，并在离散的时间中演化。

广义相对论二:广义相对论是怎样被证明的

　　光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲，这是广义相对论的一个重要预言。但对这一预言的验证常被戏剧化地、简单化和夸张地再现给观众和读者，大大偏离了科学史史实。那么，真实的情形如何呢？
　　在一部艺术地再现爱因斯坦一生的法国电影《爱因斯坦》中，有这样一个镜头，1919年秋季某一天在德国柏林，爱因斯坦举着一张黑乎乎的照相底片，对普朗克说：（大意）多么真实的光线弯曲啊，多么漂亮的验证啊！
　　光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲，这是广义相对论的一个重要预言。但对这一预言的验证常被戏剧化、简单化和夸张地再现给观众和读者，大大偏离了科学史史实。笔者觉得围绕光线弯曲的预言与验证，有以下三个方面的史实需要澄清。
　　首先，光线弯曲不是广义相对论独有的预言。早在1801年索德纳（Johann von Soldner，1766－1833）就根据牛顿力学，把光微粒当做有质量的粒子，预言了光线经过太阳边缘时会发生0.87角秒的偏折。1911年在布拉格大学当教授的爱因斯坦根据相对论算出日食时太阳边缘的星光将会偏折0.87角秒。1912年回到苏黎士的爱因斯坦发现空间是弯曲的，到1915年已在柏林普鲁士科学院任职的爱因斯坦把太阳边缘星光的偏折度修正为1.74角秒。
　　其次，需要观测来检验的不只是光线有没有弯曲，更重要的是光线弯曲的量到底是多大，并以此来判别哪种理论与观测数据符合得更好。这里非常关键的一个因素就是观测精度。即使观测结果否定了牛顿理论的预言，也不等于就支持了广义相对论的预言。只有观测值在容许的误差范围内与爱因斯坦的预言符合，才能说观测结果支持广义相对论。20世纪60年代初，有一种新的引力理论——布兰斯－迪克理论（Brans－Dicke Theory）也预言星光会被太阳偏折，偏折量比广义相对论预言的量小8％。为了判别广义相对论和布兰斯－迪克理论哪个更符合观测结果，对观测精度就提出了更高的要求。
　　第三，光线弯曲的效应不可能用眼睛直观地在望远镜内或照相底片上看到，光线偏折的量需要经过一系列的观测、测量、归算后得出。要检验光线通过大质量物体附近发生弯曲的程度，最好的机会莫过于在发生日全食时对太阳所在的附近天区进行照相观测。在日全食时拍摄若干照相底片，然后最好等半年之后对同一天区再拍摄若干底片。通过对相隔半年的两组底片进行测算，才能确定星光被偏折的程度。这里还需要指出，即使是在日全食时，在紧贴太阳边缘处也是不可能看到恒星的。以1973年的一次观测为例，被拍摄到的恒星大多集中在离开太阳中心5到9个太阳半径的距离处，所以太阳边缘处的星光偏折必定是根据归算出来的曲线而外推获得的量。靠近太阳最近的一、二颗恒星往往非常强烈地影响最后的结果。
　　作了上述澄清之后，再来看本文开头所述的电影《爱因斯坦》中的艺术表达手法，过分得有点在愚弄观众的味道了；而一些科学类读物中的说法，譬如“爱丁顿率领着考察团，去南非看日食，真的看见了”这样的描述也过于粗略，容易产生误导。那么，对光线弯曲预言的验证的真实历史是怎样的呢？
　　爱丁顿对检验广义相对论关于光线弯曲的预言十分感兴趣。为了在1919年5月29日发生日全食时进行检验光线弯曲的观测，英国人组织了两个观测远征队。一队到巴西北部的索布拉尔（Sobral），另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛（Principe），爱丁顿参加了后一队，但他的运气比较差，日全食发生时普林西比的气象条件不是很好。1919年11月两支观测队的结果被归算出来：索布拉尔观测队的结果是1.98″±0.12″；普林西比队的结果是1.61″±0.30″。1919年11月6日，英国人宣布光线按照爱因斯坦所预言的方式发生偏折。
　　但是这一宣布是草率的，因为两支观测队归算出来的最后结果后来受到人们的怀疑。天文学家们明白，在检验光线弯曲这样一个复杂的观测中，导致最后结果产生误差的因素很多。其中影响很大的一个因素是温度的变化，温度变化导致大气扰动的模型发生变化、望远镜聚焦系统发生变化、照相底片的尺寸因热胀冷缩而发生变化，这些变化导致最后测算结果的系统误差大大增加。爱丁顿他们显然也认识到了温度变化对仪器精度的影响，他们在报告中说，小于10°F的温差是可以忽略的。但是索布拉尔夜晚温度为75°F，白天温度为97°F，昼夜温差达22°F。后来研究人员考虑了温度变化带来的影响，重新测算了索布拉尔的底片，最大的光线偏折量可达2.16″±0.14″。
　　底片的成像质量也影响最后结果。1919年7月在索布拉尔一共拍摄了26张比较底片，其中19张由格林尼治皇家天文台的天体照相仪拍摄，这架专门用于天体照相观测的仪器所拍摄的底片质量却较差，另一架4英寸的望远镜拍摄了7张成像质量较好的底片。按照前19张底片归算出来的光线偏折值是0.93″，按照后7张底片归算出来的光线偏折值却远远大于爱因斯坦的预言值。最后公布的值是所有26张底片的平均值。研究人员验算后发现，如果去掉其中成像不好的一、二颗恒星，会大大改变最后结果。
　　后来1922年、1929年、1936年、1947年和1952年发生日食时，各国天文学家都组织了检验光线弯曲的观测，公布的结果有的与广义相对论的预言符合较好，有的则严重不符合。但不管怎样，到20世纪60年代初，天文学家开始确信太阳对星光有偏折，并认为爱因斯坦预言的偏折量比牛顿力学所预言的更接近于观测，但是爱因斯坦的理论可能需要修正。
　　1973年6月30日的日全食是20世纪全食时间第二长的日全食，并且发生日全食时太阳位于恒星最密集的银河星空背景下，十分有利于对光线偏折进行检验。美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲建造了专门用于观测的绝热小屋，并为提高观测精度作了精心的准备，譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、对整个仪器的温度变化进行监控等等。在拍摄了日食照片后，观测队封存了小屋，用水泥封住了望远镜上的止动销，到11月初再回去拍摄了比较底片。用精心设计的计算程序对所有的观测量进行分析之后，得到太阳边缘处星光的偏折是1.66″±0.18″。这一结果再次证实广义相对论的预言比牛顿力学的预言更符合观测，但是难以排除此前已经提出的布兰斯－迪克理论。
　　光学观测的精度似乎到了极限，但1974年到1975年间，福马伦特和什拉梅克利用甚长基线干涉仪，观测了太阳对三个射电源的偏折，最后得到太阳边缘处射电源的微波被偏折1.761″±0.016″。终于天文学家以误差小于1％的精度证实了广义相对论的预言，只不过观测的不是看得见的光线而是看不见的微波。
　　那么，我们难道只能说直到1975年爱因斯坦的广义相对论才成为“正确”的理论？才上升为科学？
　　从本文前述广义相对论提出之后半个多世纪里人们对光线弯曲预言的检验情况来看，1919年所谓的验证在相当程度上是不合格的。但爱因斯坦因这次验证而获得了极大的荣誉也是毋庸置疑的。如今的媒体和大多数科学史家也都把1919年的日食观测当做证实了爱因斯坦理论的观测。那么爱因斯坦本人又是如何看待他的理论预言和观测验证的呢？
　　早在1914年，爱因斯坦还没有算出正确的光线偏折值，就已经在给贝索（Besso）的信中说：“无论日食观测成功与否，我已毫不怀疑整个理论体系的正确性（correctness）。”还有一个故事也广泛流传，说的是当预言被证实的消息传来，爱因斯坦正在上课，一位学生问他假如他的预言被证明是错的，他会怎么办？爱因斯坦回答说：“那么我会为亲爱的上帝觉得难过，毕竟我的理论是正确的。”1930年爱因斯坦写道：“我认为广义相对论主要意义不在于预言了一些微弱的观测效应，而是在于它的理论基础的简单性。”
　　在爱因斯坦看来，是广义相对论内在的简单性保证了它的“正确”性。1919年的证实确实给爱因斯坦带来了荣誉，但那是科学之外的事情；1919年的证实或许还让更多的人“相信”广义相对论是“正确”的，但这种证实很大程度上只是起到了“说服”的作用。从科学史上来看，精密的数理科学的进步模式确实有着这样的规律和特点：它们往往是运用了当时已有的最高深的数学知识而构建起来的一些精致的理论模型，它们的“正确”性很大程度上由它们内在的简单性和统一性所保证。虽然它们必然会给出可供检验的预言，譬如哥白尼日心说预言了恒星周年视差，爱因斯坦广义相对论预言了光线弯曲，霍金的黑洞理论预言了霍金辐射，但不必等到这些预言被证实，那些理论就应该并可以被当做科学理论。
　　那么“预言的证实”除了给爱因斯坦带来科学之外的荣誉外，还有没有别的意义呢？笔者以为，通过观测来证实某一理论，对于该理论被科学共同体接受有至关重要的作用。在理论提出者譬如爱因斯坦来说，他自信理论的正确性有内在的保证。而对于更多的其他人，他们并没有能力在深刻理解理论的基础上来判断该理论的正确性，所以只能采取“预言－证实”这样一种在其他场合也能行之有效的模式来判断理论的正确性。这“更多的其他人”包括了从较为专业的研究人员到一般大众的复杂人群构成。在理论提出者和“更多其他人”眼里，理论“正确”的标准也显然是不一致的。爱因斯坦在1914年就确信他的理论是正确的；从报纸等媒体上获悉科学信息的一般大众则在1919年相信了爱因斯坦是正确的；而在更为专业的研究人员那里，还要经过半个多世纪的反复检验，才敢说广义相对论在当时的认识水平上是正确的。

广义相对论三:科学家的故事霍金

　　霍金是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家和当代最伟大的科学家，人类历史上最伟大的人物之一，被誉为“宇宙之王”。下面我们来看看科学家的故事霍金，欢迎阅读借鉴。
　　霍金的故事之童年时代
　　小霍金也像普通的小孩一样，喜欢玩具，着迷于玩具火车，甚至自己花钱买来了电动火车。十几岁时，霍金还喜欢制作飞机模型和轮船模型，甚至尝试发明一些游戏，比如制作不同颜色零件的工厂、运送产品的公路和铁路，以及股票市场。霍金和一个同学负责编制游戏的规则。在编制这些游戏时，小霍金的目标是"建造我能够控制的可以开动的模型"，"这些游戏及制作都来自于探究事物并且进行控制的要求"。这种要求一直驱动霍金去"探究事物"，甚至在后来的宇宙学研究中仍在起作用。
　　上学期间，霍金分在一个很好的班，尽管他的成绩名次从未进过前一半，但是仍受到同学的尊敬，同学为他起了一个"外号"---爱因斯坦。霍金在班上有一些要好的同学，他们喜欢听音乐，特别是古典音乐，如莫扎特、贝多芬，也到音乐厅去听音乐。他们还经常讨论一些科学和宗教问题，例如宇宙的起源和宇宙的运行是否需要上帝的作用。
　　霍金的故事之中学时代
　　在中学时代的后两年，班上来了一位数学教师。他的教学富于启发，这激发了霍金对数学和物理学的兴趣。尽管父亲也鼓励他学习科学，但是希望他攻读与父亲的专业相近的生物学。回忆起中学的学习，霍金谈道："在我幼年时，我对所有科学都一视同仁。十三、四岁后我知道自己要在物理学方面做研究，因为这是最基础的科学，尽管我知道中学物理学太容易太浅显，所以太枯燥。化学就好玩得多了，不断发生许多意料之外的事，如爆炸等等。但物理学和天文学有望解决我们从何处来和为何在这里的问题。我想探索宇宙的底蕴。"由此
　　可见，少年的霍金的志向虽算不上远大，"想探索宇宙的底蕴"对他后来的研究肯定是有影响的。 中学毕业，霍金考入牛津大学，并如父亲的希望，取得了奖学金。学习物理学对霍金并不费力，后来他又考上剑桥大学理论物理专业的博士研究生。为什么要选取理论物理专业呢?霍金后来说："理论物理中有两个领域是基本的，……一个是研究非常大尺度的，即宇宙学;另一个是研究非常小尺度的，既基本粒子。"这就是说，理论物理联系着"至大"的宇宙和"至小"的基本粒子。最后，他确定要研究宇宙学，这是因为"在宇宙学方面已有一个定义完好的理论，即爱因斯坦的广义相对论"。广义相对论是研究宇宙学的理论基础。
　　霍金的故事之身残志坚
　　在研究学习期间，霍金得了一种怪病，是一种运动神经细胞病。这种病使行为本来就不灵活的霍金更加笨拙，而且这种病迅速恶化。霍金非常苦恼，以至于他认为自己活不了多久了。然而，霍金并未放弃正常人的工作学习和生活，而且他在这时结婚了，5年后他成了3个孩子的父亲。
　　患病的霍金依然如故，甚至更加勤奋。他曾梦到自己被处死了，由此他希望，"如果我被赦免，我还能够做许多有价值的事"。他认为，"我要牺牲自己的生命来拯救其他人"，要做点儿善事，以回报社会对他的恩惠。 勤奋的工作使霍金取得了很大的成绩，他以黑洞的研究成名于物理学界。黑洞是一种体积很小、质量很大的天体，也就是说，它的密度很大。这种天体是一种从理论上推测出来的天体。 早在200年前，一位法国科学家提出了黑洞的问题。他认为，满足一定条件的恒星，在引力的作用下会吸住自身发出的光线，而使我们看上去
　　它是"黑暗的一团"。然而，这种科幻般的预言并未受到人们的重视。爱因斯坦建立广义相对论时，一位德国科学家借助广义相对论重新预言了黑洞的存在。他发现，质量等于太阳质量大小的黑洞，其直径只有2.95千米;而相当于地球质量的黑洞，直径只有0.9厘米了。到20世纪30年代末，一位美国科学家研究恒星演化时，再次研究黑洞问题。他认为，在恒星燃尽时，在引力的作用下，恒星会无休止地坍缩下去，最终就形成了黑洞。

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