贝肯斯坦的这一结论引起了争议。霍金和布兰登·卡特当时都认为这一结论很成问题。霍金认为，假如黑洞本身就具有熵的话，那么它本身也必定具有温度。然而，按照当时的理解，黑洞是没有温度的，也就是说它的绝对温度是零度。因为任何东西都无法从黑洞中逃逸出来，当然也包括热本身所带有的辐射。霍金和相对论专家詹姆斯·巴丁、布兰登·卡特针对贝肯斯坦的黑洞热力学发表了“黑洞力学四定律”，论证了黑洞无法释放出辐射，因而热力学也不适用于黑洞研究的观点。这三位年轻学者的观点也受到同行们的重视。
1973年，霍金决定到莫斯科去拜访苏联学者雅可夫·捷尔多维奇。捷尔多维奇是一位著名的天体物理学家和宇宙学家，在黑洞研究中也做出了杰出成就，当时名气很大。在莫斯科，霍金见到了捷尔多维奇的同事亚历克斯山得罗·斯塔拉宾斯基。由于当时霍金对贝肯斯坦的观点怀有成见，因而当霍金了解到斯塔拉宾斯基主张黑洞也能释放出能量时，感到很吃惊。斯塔拉宾斯基认为，正像任何其他旋转物体一样，黑洞也向外释放能量。他还试图说服霍金让他相信这一点。霍金虽然没有被他说服，但他的观点和论证引起了霍金的重视。他决定，回到剑桥大学亲自再论证一遍。因为霍金从来不喜欢盲从，没有经过自己的思考和论证，他是不会轻易相信的。
旋转黑洞是否向外释放能量是个十分复杂的问题，其论证过程和计算过程也是极为复杂的。回到剑桥大学之后，霍金打算在重新推导斯塔拉宾斯基的结论之前，先计算出非旋转黑洞的释放速率。他认为，只要方程和计算是正确的，肯定不会得出黑洞中有粒子释放出来的结论。霍金用了大约两个月的时间，作了大量的运算和论证，最后得出的结论使他沮丧。因为他一直持黑洞不可能向外是否辐射粒子的观点，而他推导的结论与他的观点正相反，即黑洞可以释放出大量粒子。
霍金一开始不相信他推导所得出的结论，他认为计算过程肯定出现了错误。于是，他又花了几个月的时间反复进行运算，但最后得到的结论都相同。这一结论是他不愿意接受的。因为当初他与他的几位同事与贝肯斯坦论战时，是坚决反对这一结论的，而这一结论恰恰是贝肯斯坦的重要证据。但是，在科学研究上，任何人都必须服从真理，霍金最后还是接受了这一结论。
通过这次论证和计算，也使霍金对黑洞的认识提高了一步。这时，他开始把量子力学的虚粒子概念引到他的理论中来，用以说明黑洞辐射的现象。他在此基础上发展起来的新理论，与原来大多数天文学家和物理学家的观点都不同，与他自己早先的观点也相矛盾，在物理学和宇宙学领域引起了较大反响。在新理论中，他提出，根据量子力学，在宇宙空间充满了虚粒子和反粒子，它们经常成对地产生、分开，然后再聚到一起，最后相互湮灭。黑洞存在时，一对虚粒子中的一个会掉进黑洞中去，而另一个由于失去了被湮灭的对方而留存下来。黑洞之所以能够产生辐射，就是由于遗存下来的粒子被放射出来而致。这就是后来被人们称作的“霍金辐射”。
霍金在研究中发现，由于物理定律是时间对称的，因而如果存在着一种叫作黑洞的物体，任何东西都只能落进去而不能跑出来，那就还应该存在着另外一种物体，任何东西只能跑出来而不能落进去。这种物体可以被称作白洞。可以这样假设，一个人可以从一处落进到一颗黑洞，而在另一处从一颗白洞中跑出来。这在科幻小说里或许可以被看作是宇宙空间旅行的理想手段，只要寻找一颗邻近的黑洞，这种旅行似乎就可以实现。
这种形式的空间旅行初看起来是可能的。在爱因斯坦广义相对论中存在着类似的解，它允许这样的假设，即人从一个黑洞中落进去，再从另一个黑洞中跑出来。但是，后来进一步的研究表明：所有存在的这类解都是不稳定的。极为微小的扰动，都会使这个通道毁灭。譬如，一个宇宙飞船在接近黑洞时，它会被极大的力量撕得粉碎，就像一个大桶从尼加拉瓜大瀑布漂下去一样。如果一个人跳进一个黑洞，就会被撕裂并被压榨到完全不存在。也许黑洞可以作为人们丢弃垃圾和摆脱那些不受人欢迎的人的地方，那是一个有去无归的区域。
以上都是根据爱因斯坦广义相对论所进行的推测，人们当时所进行的所有观测都同这个理论相吻合。然而，当把量子力学的不确定性原理运用于黑洞研究时，人们就会发现广义相对论不完全正确。量子力学的不确定性原理揭示出：人们在观测微观粒子运动时，不能同时确定它的位置和速度，也就是说，当你确定了微观粒子的速度时，它的位置就不能准确地确定下来，当你确定了微观粒子的位置时，就不能准确地确定它的速度。
1973年，霍金开始用量子力学的不确定性原理来研究黑洞，研究结果使霍金和其他人都大吃一惊，他发现黑洞不是像过去人们所想像的那样是完全黑的，而是以恒定的速率向外辐射，发射出粒子。在牛津附近的一个会议上，霍金公布了他的发现，许多与会者都不相信这是真的，会议主席也认为这不可思议。但是，此后不久，他们在研究中发现了黑洞的这种效应，正如霍金所发现的那样，显然，霍金的认识是正确的。
辐射究竟是如何从黑洞的引力场中逃逸出来的呢？霍金认为有好几种理解方法。一种理解方法是：量子力学的不确定性原理允许粒子在短距离内比光速还大，从而使粒子和辐射能穿透事件视界，从黑洞中逃逸出来。
霍金认为，随着黑洞向外辐射和发射粒子，它将损失它自身的质量。这样，就会使黑洞变得越来越小，并将更加迅速地释放粒子。最终，它的质量会达到零并完全消失。那些落入黑洞的物体，会到达微小的婴儿宇宙中去。这个微小的可以自足的宇宙开始孤立起来，与属于我们的宇宙分裂开来。这个婴儿宇宙也可以重新连接到属于我们的宇宙上来。如果一旦这种情形发生的话，我们也可以视为一个黑洞形成随即又被蒸发掉了。于是，我们也可以得到这样一个结论：落到一个黑洞的粒子，会作为从另一个黑洞中发射出来的粒子而出现，反之亦然。
这个结论听起来似乎是为通过黑洞进行空间旅行提供了根据。但事实上，你所驾驶的宇宙飞船必须进入适当的黑洞，最好是相当巨大的黑洞，不然的话，当你驾驶着宇宙飞船进入黑洞时，你会被它的巨大的引力撕得粉碎，甚至连构成你身体的粒子也不能幸免。这样，你在实时间里的历史就会在一个奇点上终结。然而，这些粒子在虚时间里的历史将会继续，它们将进入并通过婴儿宇宙，作为粒子从另外一个黑洞发射出来。于是，我们也可以说，你被运送到宇宙的另一个区域。但是，从另一个黑洞发射出来的粒子与你没有什么相像之处。你在实时间中进入奇点时，并不会因得知你的粒子可以在虚时间里继续存在而得到什么安慰。霍金非常幽默地说：“对于任何将要落进黑洞的人的箴言是：想想虚的。”
霍金运用量子力学的不确定性原理研究黑洞所得出的结论是极具创造性的。他的发现补充和修正了爱因斯坦的广义相对论原理。他诙谐地说：“由于量子力学的机率和不确定性，爱因斯坦从未接受过它。他说道：‘上帝不玩骰子。’看来爱因斯坦犯了双重错误。黑洞的量子效应暗示，不仅上帝玩骰子，而且它有时候把骰子丢到看不见的地方去。”
“霍金辐射”的提出正是对爱因斯坦广义相对论的挑战，也是他运用量子力学的虚粒子概念研究黑洞所得到的杰出发现。根据霍金辐射原理，黑洞并不真黑，它们也能发热和辐射，黑洞越小，他们发热和辐射得就越多。
霍金认为，如果黑洞得不到新物质的补充，霍金辐射必将使黑洞萎缩。对于大多数黑洞来说，霍金辐射的影响并不大。因为它们是由死恒星演化而来的，它们总是能够从与它们相邻的空问吸收足够的物质，以弥补由霍金辐射所引起的损耗。然而，霍金辐射对于超微黑洞的影响则是非常大的。由于超微黑洞太小了，它们不能从周围吸收足够的物质以弥补霍金辐射所带来的损耗。黑洞因霍金辐射而获得的温度与黑洞的质量是成反比的，即黑洞越小，它所获得的温度越高，从而也就越热。霍金由此推论，霍金辐射最终将使超微黑洞由于自身过热而爆炸。霍金这一理论的问世，开辟了黑洞研究的新篇章。
天文物理学家和宇宙学家一直试图在双星系统中寻找常规的黑洞，而黑洞的观测是通过引力效应被检测到的。宇宙中的双星系统是由两颗互相围绕着对方旋转的恒星组成的。如果其中有一个是黑洞的话，那末这个黑洞将围绕着另一颗正常的恒星旋转，这样就很容易被天文学家观测到。天文学家还可以根据恒星和另一个看不见的天体相互间的运动以及它们在轨道上的运行方式，计算出恒星和那个看不见天体的质量。由于质量大于太阳3倍的死恒星会坍缩成一个黑洞，如果看不见的天体的质量大于太阳3倍，它很可能是黑洞。20世纪70年代初，天文学家观测到双星系统天鹅座x一1中一个天体的质量是太阳的8～10倍，认为它很可能是一个黑洞。
天鹅座x一1中那个天体究竟是不是黑洞呢？当时还没有充分的证据证明这一点。1975年，霍金与他的朋友、美国加利福尼亚技术研究所的理论物理学教授基普·索恩打了一个赌。如果天鹅座x一1中存在着一个黑洞，索恩将会得到一年的《阁楼》杂志；反之，如果天鹅座x一1中不存在一个黑洞，霍金将会得到4年的英国讽刺杂志《私人侦探》。霍金开玩笑地说，这对我来说就像买保险一样，如果黑洞在天鹅座x一1中不存在的话，我这几年所花的大量的功夫就白费了，但我至少还能得到四年的《私人侦探》，也可以看作是一种心理安慰吧。就霍金本人的愿望来说，他是非常乐于支付他的这笔赌注的。因为黑洞的研究倾注了他大量的心血，如果黑洞真的存在的话，是对他多年来工作的莫大的奖赏。后来，天文学家通过进一步观测基本上确定了那是一个黑洞，霍金很高兴地支付了自己的赌注。
20世纪70年代初，黑洞开始引起普通百姓的好奇和关注，霍金在这方面的研究成就显赫，从而成为媒体关注的焦点人物。他的名字经常出现在报纸上，他的形象也出现在一部关于黑洞的电视纪实片中。1977年，英国广播公司(BBC)播出了一个引人注目的纪实节目，该节目的题目是《揭开宇宙之谜的钥匙》，它介绍了霍金在黑洞研究方面所做的大量工作，以及他与病残作斗争的事迹，在社会各界产生了强烈反响。
