“霍金效應”

宇宙從什麼時候開始的？

從20世紀下半葉，人類在基礎物理學領域做出的突破和發現越來越少，導致了實驗物理學和理論物理學的分化越來越大。理論物理學家們越來越執著於各種純數學性的物理模型的構建，依照理論模型反推出宇宙模式，導致很多成果無論對錯都無法被實驗所驗證。

霍金描述的物件是宇宙中廣泛存在，但人類幾乎沒有機會探測的黑洞，也使得人們沒有可能透過天文學觀測去驗證霍金的理論。他將量子力學應用到了黑洞的視界上，根據相對論，視界分隔黑洞內部，其中的引力非常強大，以致所有物體都無法逃離，外部的表面並非一個物質的界限。

就如不幸落入黑洞的旅行者，在穿越視界時，並不會有任何特殊的感覺。可一旦進入視界，他們就再也無法將光訊號傳給外面的人，更別說從那裡回來了。黑洞外的觀測者，只能接收到旅行者穿越視界之前發出的訊號。當光波爬出黑洞的引力井時，它們被拉長、頻率降低、訊號持續時間也隨之延長。因此，對觀測者而言，旅行者似乎在以慢動作運動，而且比通常的顏色偏紅。

這種被稱為引力紅移的效應並不是黑洞所特有的。比如，當訊號在軌道衛星和地面基地之間傳遞時，頻率和時間也會因引力紅移而改變，GPS導航系統必須將它考慮在內才能準確工作。不過，黑洞的特殊之處在於，當旅行者靠近視界時，紅移就會變得無窮大。在外部觀測者看來，旅行者的下落過程似乎要耗費無限的時間，儘管旅行者自己覺得不過是經歷了一段有限的時間而已。

到目前為止，這種對黑洞的描述，還只是將光當作傳統電磁波看待。霍金所做的，就是在把光的量子本質考慮進來，重新研究了無限紅移的意義。根據量子理論中的海森堡測不準原理，即使完美的真空，也並非真的空無一物，其間充滿了量子漲落，這些漲落以虛光子對的形式表現出來。這些光子之所以被稱為“虛”光子，是因為在一個遠離任何引力影響的未彎曲時空中，它們總是不停地出現和消失，如果缺乏外界的干擾，就無法觀測得到。

但在黑洞周圍的彎曲時空中，虛光子對中的一顆可能會陷入視界內部，而另一個會滯留在視界之外。於是，這對光子就會由虛變實，產生出向外輻射的可觀測光線。此時，黑洞的質量也會相應下降。黑洞輻射的整體模式是熱輻射，就像一個熾熱的煤球發出的光線一樣，它的溫度與黑洞的質量成反比。這種現象被稱為霍金效應。除非黑洞吞噬物質或能量來彌補損失，否則霍金輻射將會耗盡它所有的質量。

重要的是，在非常靠近黑洞視界的空間，還保持著近乎完美的量子真空—把流體和黑洞進行類比時，這將變得至關重要。事實上，這個條件是霍金理論的基本前提。虛光子是最低能量的量子狀態，即“基態”的一種特徵。只有在虛光子與同伴分離，並逃離視界的過程中，它們才會變成實光子。

霍金效應的出現，以前所未有的高度越過一些技術問題，直接透過熱動力學的基本原理得出一個普遍答案，因此具有格外重要的地位。目前理論物理學界研究中最重要的目標，是將主要描述在大尺度下質能與時空相互作用的廣義相對論與描述在微觀領域基本粒子行為方式的量子力學相結合，從而得出一個“大統一”理論。

一百年來，這個工作仍沒有完成，在這樣背景下，霍金關於黑洞的理論顯得尤其重要，任何研究量子引力的物理學家想要得出一個更為一般化的大統一理論，首先要驗證他的理論是否能包含霍金效應。

雖然很多人習慣把人類認識到黑洞可能存在的年代回溯到18世紀，實際上1957年才首先提出了“黑洞”這個學術名詞，當時還引發了物理學界的反感和抵制，只有霍金把宏觀天體和量子力學結合起來思考。他剛開始進行宇宙學研究時，仍停留在靜態宇宙模型階段，當時科學家認為宇宙的整體狀態不會隨時間變化，宇宙也不存在開端和結束。

霍金和導師西阿瑪隨著宇宙微波背景輻射的發現，就是宇宙大爆炸而改變了想法，轉而研究透過一次大爆炸而誕生的宇宙模式。宇宙微波背景指出，宇宙過去曾經歷過熱的、稠密的階段，但它沒有證明這個階段是宇宙的開端。人們可以想象，宇宙經歷過早先收縮的狀態，曾經在很高卻有限的密度下從收縮反彈到膨脹。