史蒂芬·霍金最偉大貢獻：霍金輻射

科技 03-17

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】一個不幸的事實是公元2018年3月14日英國物理學家與宇宙學家——史蒂芬·霍金去世，享年76歲（1942—2018），生前任劍橋大學理論宇宙學中心研究主任。其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，提出了黑洞蒸發現象和無邊界的霍金宇宙模型，相信世人都有緬懷和紀念這位偉大的科學家！博科園：巨星隕落，這是人類的一筆損失，感謝霍金教授對人類文明科學所做的貢獻！

圖註：英國物理學家與宇宙學家史蒂芬·霍金

1915年阿爾伯特·愛因斯坦發表了他的廣義相對論，用一個統一的時空概念取代了古老的牛頓世界觀。在愛因斯坦方程的一邊，宇宙中的物質和能量告訴時空如何彎曲；另一邊，時空的彎曲結構告訴物質和能量如何移動。這些方程的複雜性使得精確解很難找到，因為愛因斯坦自己也只找到了兩個：一個是完全空的空間，一個是在弱場極限下的單個質量。

圖註：黑洞事件視界是一個球形或球狀區域，從中不會有任何物體甚至光線不能逃脫。但在事件視界之外，黑洞被預測會發出輻射——稱為霍金輻射。霍金1974年的研究首次證明這一點，這可以說是他最大的科學成就。圖片信息及版權：NASA; J?rn Wilms (Tübingen) et al.; ESA

第二年卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）發現了第一個有趣的解決方案：即在所有的空間上都有一個點質量。我們現在認識到這是一個黑洞的解決方案，即使在今天也是為數不多的精確解之一。在史瓦西的公式中，黑洞是靜止的物體，霍金是第一個證明它並非如此的人，即隨著時間的推移，黑洞會輻射出來（霍金輻射），因此黑洞並不是完全黑的。

圖註：對於非旋轉的孤立黑洞而言，黑洞的質量是事件視界半徑唯一決定因素。在很長一段時間裡，人們認為黑洞是宇宙時空中的靜態物體。圖片信息及版權：SXS team; Bohn et al 2015

很長一段時間以來只有少數的特徵屬性可以來描述黑洞。在史瓦西的公式中簡單地分配了黑洞的質量，並解決了時空曲率問題。另一些觀點表示：可以添加一個電荷（Reissner-Nordstrom黑洞）或旋轉(Kerr黑洞)，但就是這樣，不可能做到將信息添加到一個黑洞中：一個電中性的、不旋轉的人進入黑洞後就會包含與氫氣雲相當信息（一樣多）。從熱力學的角度來看，這是一場災難。可以把一束溫度為絕對零度，熵為零的氫扔到黑洞中，並且會對黑洞產生與將同等能量的人投擲在那裡相同的效果，這根本就沒有意義。

圖註：當一個物體被黑洞吞噬時，物質所具有的熵的大小取決於物理性質。但是在黑洞內部只有質量、電荷和角動量等特性是重要的。如果熱力學第二定律依然必須保持正確，這將是一個大難題。圖片信息及版權：Illustration: NASA/CXC/M.Weiss; X-ray (top): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L); Optical: ESO/MPE/S.Komossa (R)

這意味著與熱力學第二定律相反，也意味著突然有一種方法可以任意地減少宇宙的熵，經典的黑洞應該有一個零的熵。如果能夠將真實的，正的和大量的熵投射到黑洞中，就會有一種方法來違反這條定律。就我們所知，熵一直在增加，這是霍金思考黑洞時所思考的問題之一。必須有某種方法來為黑洞做定義，而且這個值應該是正且大的。隨著時間的推移，增加熵應該是可以的，但是減少則是被禁止的。唯一的辦法是通過強制增加黑洞的質量來使熵增加至少是所想像的最大值。

圖註：編碼的信息在黑洞表面上可以是信息位（比特信息），與事件視界表面積成比例。圖片信息及版權：T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam

解決這個問題科學家（包括霍金）給出的答案是：使熵與黑洞的表面積成正比。能在黑洞中找到的量子信息越多，它的熵就越大。但這帶來了一個新問題：如果有熵，那就意味著有一個溫度，如果有一個溫度，就必須把能量散發出去。最初稱為「黑」（只吃不吐）因為沒有任何東西，甚至光線都不能逃脫，現在已經很清楚，黑洞必須拋出一些東西（方式為霍金輻射）。所以黑洞不再是一個靜態系統了，它隨著時間的推移而變化。

圖註：黑洞的模擬衰減不僅會導致輻射的釋放，而且會導致中心軌道質量的衰減。黑洞不是靜態的物體，而是隨著時間而改變。圖片信息及版權：EU"s Communicate Science

所以如果一個黑洞不是那麼黑，而且如果輻射的話，現在最大的問題就是黑洞如何輻射？搞清楚這個難題的答案是史蒂芬·霍金對物理學的最大貢獻。我們知道如何在量子場論中計算真空空間是如何在空間平滑的情況下表現出來的。也就是說當你遠離任何物體（比如黑洞）時，可以告訴你空空間的性質。霍金第一次展示是如何在彎曲的空間中這樣做：在事件視界的幾個半徑內，他發現當質量接近時，量子真空的行為有顯著的差異。

圖註：量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學結合起來。對經典引力的量子修正可視化為循環圖，如白色所示。霍金使用的半經典近似涉及計算了彎曲空間背景下的真空量子場理論效應。圖片信息及版權：SLAC國家加速器實驗室

當霍金進行數學運算時發現了以下性質規律：

1、當離黑洞很遠時會得到黑體輻射的熱輻射

2、發射的溫度取決於黑洞的質量：質量越低，溫度越高

3、當黑洞發出輻射時質量會下降，與愛因斯坦的E = mc^2完全一致，輻射率越高，質量損失越快。

4、當黑洞失去質量時會收縮並輻射得更快。黑洞能存在的時間與它質量的立方成正比：銀河系中心的黑洞比太陽質量黑洞的壽命長10^20倍。

圖註：如果將空的空間想像為爆炸的粒子/反粒子對存在於內外，會看到來自黑洞的輻射。如圖這種可視化並不完全正確，但易於可視化的事實有其好處。圖片信息及版權：Ulf Leonhardt of the University of St. Andrews

最初霍金將其可視化為粒子/反粒子對的出現和消失，湮滅產生輻射。這一過於簡化的圖像質量上足以描述遠離黑洞的輻射，但事實證明它與視界的距離是不正確的。更準確的應是：真空的變化以及從空間曲率相對較大的地方放射出來的輻射在黑洞本身的幾個半徑內。然而一旦離得太遠，一切似乎都是這種熱量——黑體輻射。

圖註：霍金輻射是圍繞黑洞事件視界的彎曲時空中量子物理學預測的不可避免的結果。本圖這種可視化比上述更準確，因為它將光子顯示為輻射的主要來源而不是粒子。但是發射是由於空間的曲率，而不是單個的粒子，並不都是全部追溯到事件視界本身。圖片信息及版權：E. Siege

突然間，黑洞發生了一場革命，並理解了量子場在高度彎曲空間中的行為。它打開了黑洞信息悖論，因為我們現在正在問的黑洞事件視界上編碼的信息在黑洞蒸發時的位置？它打開了黑洞火牆的（相關）問題，問為什麼在物體跨越事件視界時物體不會受到輻射的影響，或者它們實際上是否會受到輻射的影響？它告訴我們在一個體積內（在事件視界所包圍的空間內）和表面包裹它（事件視界本身）之間存在著一種關係，這是現實生活中全息原理的一個潛在例子。它打開了一扇門，如果有任何偏離廣義相對論的預言，讓我們可以第一次探索量子引力的影響。

圖註：在永恆黑暗的永恆背景下，一束光將會出現：宇宙中最後一個黑洞被完全蒸發。圖片信息及版權：ortega-pictures / pixabay

致使這一切的論文只是簡單地稱為「黑洞爆炸」並於1974年在《Nature》上發表。霍金僅32歲就發表了這篇論文，這將是一生研究的最高成就。多年來霍金一直在研究奇點，黑洞，嬰兒宇宙和宇宙大爆炸，並與加里·吉本斯、喬治·艾利斯、丹尼斯·西馬、吉姆·巴丁、羅傑·潘羅斯、伯納德·卡爾和布蘭登·卡特等科學巨人合作。他傑出的研究不是憑空而來的，而是在一個在肥沃的學術環境中茁壯成長的聰明才智結合而產生。這對我們所有人來說都是一個教訓，如果我們想要獲得這些巨大的理論進步，去創造（和資助）這樣的高質量的環境，這樣的研究才能成為可能。