黑洞到底是如何‘蒸發’掉的？

英國物理學家斯蒂芬·霍金這一生最重要的發現可能就是他發現了黑洞並不是永恆的。

1974年，物理學上的一個重大發現向我們揭露了黑洞並非永生，而是不斷地以輻射的形式極其緩慢地失去能量，這個過程就叫做霍金輻射。這周我們欄目的問題由斯賓塞繆勒提出：

“自從霍金髮現了霍金輻射的存在之後，科學類出版界將其描述成----因為一對量子糾纏在一起的粒子在事件視界附近同時產生，其中一個粒子被黑洞吸入，另一個則以霍金輻射的形式逃逸了，造成了黑洞的‘蒸發’，進而導致黑洞最終完全被‘蒸發’掉。問題是，如果有一個粒子被黑洞吸入，為什麼反而黑洞還會變小呢？難道在常理看來不應該導致其品質的增加嗎？”

這個問題的確很大，而且充斥著誤解，其中有很多的誤解都是由霍金的解釋造成的。下面由我來一步一步解釋。

本月是天文學家卡爾·史瓦西利用球對稱首次求出愛因斯坦場方程精確解的百年紀念日，這個精確解描述了一個由品質巨大的奇點以及其周圍一個事件視界所構成的時空。史瓦西也意識到，品質如此大，密度如此高，就連光都無法在其引力下逃逸的時空，這樣的時空只可能是一個黑洞。

長久以來人們認為，如果我們將足夠大的品質塞入一個足夠小的空間，任何物體都必然在重力的作用下塌陷成一個黑洞。而且不論初始品質的結構，奇點都將是一個點，事件視界都將是球形的。事實上，能改變事件視界唯一因素只有黑洞的品質。

之前的一個觀點是，當黑洞吸入越來越多的物質導致其品質增加，體積變大，這樣的過程會一直持續下去，直到吸光了宇宙中所有的物質（也就是宇宙末日）才會停止。

然而後來物理學家們發現，構成宇宙的微小粒子實際遵循的是另一套法則----量子力學。粒子通過自然界四力彼此相互作用，每種基本相互作用都可以表示為一組量子場。

若想知道兩個帶電粒子如何相互作用，或是光子之間的作用，我們需要用到量子電動力學或是量子力學中的電磁互動。那麼造成強核力的粒子之間的互動（也就是質子或其他原子核之間的束縛力）呢？這就需要用到量子色動力學，或是量子力學中的強相互作用。再比如放射性衰變就需應用到量子力學中的弱相互作用了。

然而，以上的幾個相互作用力顯然還不夠解答事件視界周圍互動的問題。總的來說，我們還需要其他兩點，第一點很容易得出的：在量子的世界中，我們還沒有重力的互動作用，因為我們沒有建立重力量子理論。另一點可能比較難看出來：我們在上一段提到的三個量子理論，通常情況下只在扁平空間或是在重力互動可以被忽略不計的前提下有效（這樣的時空在廣義相對論中被稱作閔可夫斯基空間）。然而在黑洞的附近，空間是極度扭曲的，這被稱作史瓦西空間，而不是閔可夫斯基空間。

那麼我們提到的量子場在一個扭曲的空間（比如在一個黑洞附）中會發生什麼改變呢？霍金於1974年就向世人展示了在黑洞附近扭曲時空中的量子場的變化----它們會發散特定溫度的黑體輻射。這個特定的溫度（與通量）與黑洞的品質大小成反比，因為事件視界處空間的曲度與黑洞的品質成反比。

在霍金的《時間簡史》一書中，他寫到，空間中的真空其實是由一對對虛粒子的正反粒子所構成的，它們可以突然消失或者出現。他解釋道，在一個黑洞附近，有時候這一對粒子中的一個會掉入事件視界，然而另一個卻仍然在事件視界之外。當這個發生時，在外的粒子將帶著正能量逃離黑洞，而這對量子糾纏在一起的另一個粒子將帶著負能量進入事件視界，導致黑洞的能量減少。

這樣的解釋當然不是完全正確的。首先，輻射不僅僅只來自事件視界的邊緣，而是其周遭的空間都將發散輻射。然而，對此最錯誤的解釋就是以為黑洞會向外發射光子（而不是正粒子與反粒子）。更不用說，如此低能量的輻射根本無法產生正反粒子對。

我本人也試圖通過強調這些是虛粒子（一種將量子場視覺化的方式）來改進這種解釋。 這些根本不是真正的粒子。 但是，量子場的這些特性確實可以產生真正的輻射。

然而，這也不完全正確。 這意味著在事件視界的附近，輻射是巨大的，而在離得很遠時輻射才會變小，溫度才會變低。 實際上，輻射在任何地方都是很小的，並且只有很小一部分輻射可以成功被上溯到事件視界去。

真正正確的解釋要複雜得多，這種簡單化的解釋終歸有其侷限性。 問題的根源在於不同的觀察者對粒子有不同的感知，並且該問題在曲面空間中比在扁平空間中更為複雜。 基本上，某個觀察者將看到一個空間裡什麼也沒有，但是一個正在加速運動的觀察者將看到該空間中的粒子。 霍金輻射從根本上與觀察者的位置以及加速與靜止觀測到粒子的不同都有很大的聯絡。

當我們去憑空創造一個黑洞時，我們需要加速在事件視界之外的粒子，使它們最終到達事件視界之內。這個過程就是黑洞會發射輻射的起因。霍金的計算也告訴了我們這整個過程需要多長時間才能結束：對於一個和太陽品質相同的黑洞，總共需要10^67 年來發射掉所有能量；對於一百億倍於太陽品質的黑洞來說，可能需要10^100年。要知道，我們的宇宙從誕生到今天才不過10^10 年。而且，這個‘蒸發’的速率極其緩慢，起碼需要10^20年之後才能超過黑洞品質增長的速率（偶爾與星際質子，中子或電子碰撞）。

簡單來說，霍金的答案是錯誤的，因為他把問題過度的簡化了。一個稍微好一些的答案可以是這樣的：不是黑洞本身發射輻射，而是被黑洞吸入的物質導致了輻射的產生。而黑洞周圍極度扭曲的空間造成了發射之慢。如果你想了解更加專業的解釋，我推薦以下三人的書：薩賓·霍森菲爾德，約翰·拜艾茲，史蒂夫·吉丁斯。（順序由易到難）

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

FY: 神靈之踹