擲向黑洞的骰子——霍金輻射理論簡單解讀
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你看到霍金教授的離去，一邊感慨一邊與他存在的時空漸行漸遠。
那，為何不試試讓時間換個方向？向過去前進到……比如這兒，二十世紀七八十年代，關於骰子，霍金教授有個不一樣的見解。
這個時候，3種從根本上改變了人類對於物理和現實本身認識的理論已經出現——狹義相對論，廣義相對論，量子力學。
但……相對論和量子力學好像有些合不來？比如愛因斯坦曾說「上帝不擲骰子」，明確的表達了他量子力學的看法。
不聽不聽，王八念經！
略略略！
而霍金卻說「他（愛因斯坦）似乎犯了兩個錯誤：如果考慮黑洞輻射粒子的情況，那麼上帝不僅會擲骰子，有時還會將骰子擲到人們看不見的地方。」
嘻嘻嘻嘻
嗯……
大佬們在說什麼啊，萌新瑟瑟發抖。
那我們先來看看，關鍵詞之一的「黑洞」。
我造！一個黑不溜秋的坨坨，然後力氣賊大，什麼東西都會被他扯過去然後，就不見了!
這應該是很多人對於這個詞的直觀感受，挺形象但是嘛……還不夠。
如果想要稍微確切的了解一點黑洞的話，那我們可能需要先感受下它的形成。
一顆恆星（比如太陽），通過核聚變來產生熱量，與此同時釋放可怕發能量。
這個能量有多大？可以產生強大的，向外的壓力，來抵抗恆星自己的引力。
但燃料耗盡之後呢？
顯然，這個時候再也沒有東西維持向外的壓力了，但引力仍在。
所以在自身的引力下，恆星開始收縮，這也就是大佬們所說的「坍縮」。而縮得越厲害，恆星表面的引力場將會變的更強。
引力場越強，想要逃離它自然就越難，所需要的逃逸速度就會更高。
終於，逃逸速度達到了光速。
此時，連光也無法逃脫它的引力範圍（事件視界），而根據狹義相對論，沒有物體的速度能夠超過光速，所以再也沒有能逃出去的東西了。
這就是一個黑洞的形成。
（當然這只是一種黑洞的形成，還有一些別的種類，比如猜測和大爆炸有關的微型黑洞，此處先不贅述了。）
但是請注意，剛剛是「根據狹義相對論，沒有物體的速度能夠超過光速。也就是說，什麼都跑不出去了。」，那如果不根據狹義相對論……換成量子力學呢？
量子力學表明，整個空間的粒子都是成雙成對的。它們不斷的出現，分離，然後重聚，湮滅。
那麼我們假想一下，黑洞把邊界上一個瞬間產生的粒子吸進去了，它那個外面原本要一起湮滅的粒子就不會湮滅了，而是成為了一個持續存在的真實粒子。從外界觀察者來看就相當於黑洞發了個反粒子。
（就像是一對好基友，他們要一起才能使用「隱身技能」，但突然其中一個被黑洞吸走了，另一個就隱不了身了，而我們看來就像是出現了一個粒子。）
也就是說，在量子力學看來，粒子是可以從黑洞中逃逸出來的。
於是霍金指出：（當真空漲落髮生在黑洞視界附近）一個粒子掉入奇點，另一個則會攜帶些許質量從黑洞逃逸。最終，黑洞的所有質量都可能通過這種蒸發（霍金蒸發）消耗殆盡。
而波爾基金斯認為：對於自然界的黑洞而言，黑洞俘獲的氣體塵埃的質量要遠遠大於他們在輻射中失去的質量，所以這個蒸發好像沒什麼意思？
（大概意思就是說，吃的比消耗的多得多，所以霍金減肥法對於黑洞是沒什麼減肥效果的）
但霍金揭示了廣義相對論和量子力學之間兩個明顯的矛盾：熵和信息悖論。
（熵的問題：霍金經研究後支持了「黑洞具有有限的熵」這一推論。霍金輻射表明黑洞具有溫度，這意味著黑洞存在內部結構，但廣義相對論是不允許的，因為此理論要求黑洞是完全平滑的。）
（信息悖論：霍金的蒸發理論對量子理論也是一個挑戰。根據量子力學的標準圖象，信息不可能被破壞；但霍金輻射卻暗示黑洞會破壞落入其中的物質的信息。）
而且量子力學中的不確定性原理卻表示，觀察者只能預測位置或速度的測量結果，或者預測一個結合了位置速度的測量結果。
（上帝擲的骰子）
如此一來，觀察者做出明確預測的能力就削減了一半，何況黑洞輻射的粒子來自人們幾乎沒什麼了解的區域，更無法預測粒子的位置和速度。
（這個骰子我們還看不見。）
於是，霍金教授才說：
如果考慮黑洞輻射粒子的情況；
那麼，
上帝不僅會擲骰子，
有時還會將骰子擲到人們看不見的地方。
《霍金輻射：逃出宇宙的粒子》
雖然霍金輻射尚未被完全證實，
但其關於廣義相對論和量子力學矛盾的思考，
啟發了一大批科學家。
還記得20世紀初，
經典物理學無法解釋的「兩朵烏雲」
最終催生了現代物理學的兩大分支
「相對論」和「量子力學」。
現在，
現代物理學似乎也遇到了相似的屏障，
比如說：
廣義相對論和量子力學的矛盾。
物理學家一直在尋找一個
能把廣義相對論和量子力學統一起來，
可以用來描述黑洞的理論。
現在取得一定突破的就是弦理論，
但弦理論最終卻得出了一個奇怪的結論：
黑洞火牆理論
黑洞可能被包裹在一個火牆之內，
這是一堵由高能粒子構成的牆，
任何與它接觸的物體都將化為灰燼。
甚至火牆的位置
可能標誌著時間空間的終點。
黑洞這個極端的天體，
似乎代表著的令人窒息黑暗或結束。
但你知道嗎？
大爆炸之後四十萬年，
宇宙陷入了黑暗。
但十億年後，
是來自黑洞的能量，
讓宇宙重返光明。
是黑洞釋放的力量
塑造了周圍的空間，
為恆星和星系的演化提供了線索。
雖然
它強大的引力
能讓時空發生極度扭曲。
但也許
黑洞最非凡的力量，
是讓我們的想像力和眼界
像超大質量黑洞的噴流一樣
橫跨星系。
也正是這種看不見的天體，
為我們了解宇宙
帶來了光明和希望。
走筆至此，
我想我們並不需要為霍金教授的離開
太過於悲傷。
他上升，綻放光亮時，
我們抬頭仰望過，
而現在熄滅，
我們也不必隨著灰燼的散落
把視線緩緩放平，
因為他光芒消矢之處，
是為我們點亮的整個宇宙。
在這個宇宙里，
他無處不在。
附：
關於《時間簡史》
書中的內容可以概括為以下幾點：
1．時間起始點——宇宙大爆炸奇點。宇宙是不斷膨脹著的，它在最初應該收縮為一點，這一時刻被稱為宇宙大爆炸時刻。宇宙在這一點的密度無窮大，這一點即為數學上所稱的奇點。
2．時間終結——黑洞。恆星由於引力作用會不斷收縮，會形成一個「黑洞」。黑洞表面引力很強，時間會在此終止。
3．上帝是如何啟動宇宙的？——宇宙的起源和命運。一種是以人擇原理來解釋的叫做紊亂邊界條件的宇宙起源；另一種解釋稱為「暴漲模型」，它認為宇宙在開始的一瞬間是以加速度膨脹，在遠小於1秒的時間裡宇宙的半徑增大了100萬億億億倍。
4．物理學的統一——終極理論。人類在尋求建立一個適用於宇宙中每一事件的、完整的、協調的統一理論，在這理論中不需要選取特定的常數去符合事實。
黑洞由於高質量而產生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。
那麼第二點中說黑洞是時間的終結呢？通過理論研究發現，在黑洞中，時空坐標發生互換，原來半徑R不再是空間的量，而是時間。是時間就有方向，方向朝內。（考慮黑洞是塌縮形成的，最初的條件是往裡掉）
進到黑洞里的東西都不能停留，必須與「時」俱，這樣就會落到R=0,此時R=0不再是球心，它是時間的終點，是時間終結的地方。
參考文獻：
霍金《霍金輻射：逃出黑洞的粒子》
霍金《時間簡史》
約瑟夫·波爾金斯基《黑洞火牆：量子力學與相對論的衝突現場》
邁克爾·D·勒莫尼克《黑洞點亮宇宙》
瑪麗埃特·迪克里斯蒂娜《宇宙征途》
責任編輯：陳荻秋 蔡許滸
內容審核：王郁超
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