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前一段時(shí)間返樸推文《溫度與神秘的虛時(shí)間》,，有慧眼如炬的讀者發(fā)現(xiàn)文中對(duì)霍金輻射的表述并不嚴(yán)謹(jǐn)。這是因?yàn)樽髡呤褂玫囊彩腔艚鹪眠^的通俗化表述,，是“善意的謊言”,。本文將從更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韴D景對(duì)霍金輻射進(jìn)行說明。 1974年,，霍金發(fā)表了關(guān)于黑洞輻射的研究,，向人們展示了黑洞不同尋常的一面——它竟然有溫度，并且持續(xù)向外輻射能量,，這些輻射帶走了能量,，黑洞自身會(huì)漸漸蒸發(fā)消失！這個(gè)重大理論發(fā)現(xiàn)不僅奠定了霍金本人的學(xué)術(shù)地位,，也開創(chuàng)了黑洞熱力學(xué)這門全新學(xué)科,，對(duì)整個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的后續(xù)發(fā)展都意義重大。 十幾年后,，霍金在他那本著名的科普著作《時(shí)間簡史》中,，用一個(gè)形象的描述介紹了黑洞輻射的物理機(jī)制。這個(gè)模型大意是說：處在黑洞視界附近的真空中會(huì)因隨機(jī)漲落出現(xiàn)粒子對(duì)，如果其中的負(fù)能量粒子不慎落入黑洞,，剩下的正能量粒子就會(huì)成為霍金輻射,。 
這個(gè)說法非常直觀易懂，所以在各類科普文章中流傳甚廣,，連我自己也在不久前的一篇文章里習(xí)慣性地順手引用了一次,。在那篇《溫度與神秘的虛時(shí)間》的結(jié)尾處，談到一種巧算黑洞溫度的方法時(shí),，為了敘述完整,，就用這個(gè)說法來鋪墊黑洞輻射的物理機(jī)制。 返樸的讀者慧眼如炬,，立即有人在評(píng)論區(qū)里提出了尖銳的質(zhì)疑,。我當(dāng)時(shí)雖然抖機(jī)靈給霍金的說法臨時(shí)打了個(gè)補(bǔ)丁，但其實(shí)內(nèi)心慌得一匹,，必須得再寫點(diǎn)文字專門說明一下,。 
事實(shí)上，霍金想出的這套科普版描述,，只是比喻意義上的說法,，與嚴(yán)格物理事實(shí)并不完全吻合，所以難免會(huì)產(chǎn)生理解的偏差,。首先關(guān)于“真空虛粒子對(duì)”這個(gè)概念,，就不能輕易地直接當(dāng)做兩個(gè)真實(shí)粒子看待。這本是為了計(jì)算真空中能量漲落,，而在數(shù)學(xué)上使用的一種等效工具,，其名稱中的一個(gè)“虛”字就已經(jīng)明確地提出了警示——在數(shù)學(xué)處理過程中假裝一下也就罷了，切不可在物理上太當(dāng)真,。這就好比在說“我的夢(mèng)想掉進(jìn)了黑洞,，世間只剩無處安放的靈魂”，都只是比喻而已,。有人可能會(huì)覺得我過于矯情,，因?yàn)槟切┒孔訄?chǎng)論的讀者本來就把霍金的說法理解為“黑洞視界處的變態(tài)級(jí)時(shí)空曲率撕裂了真空的能量態(tài)”，似乎并沒有被虛粒子對(duì)的概念騙到,?？上н@種理解仍然是錯(cuò)誤的，至于具體錯(cuò)在哪里,，就得從下面這個(gè)問題說起,。如果我們?cè)诤诙匆暯缤饷姘蝗Ψ垂獍?，把所有來自視界的光子都反彈回去,，站在遠(yuǎn)處的人其實(shí)仍然能夠接收到來自黑洞的輻射！是不是很意外,？還有,，即使像太陽和月亮這樣的普通天體，壓根就不具有變態(tài)級(jí)曲率的視界,，也會(huì)產(chǎn)生霍金輻射,，只不過強(qiáng)度比黑洞弱很多。霍金輻射的根本原因在于時(shí)空曲率,，只要時(shí)空彎曲的地方,，就可以產(chǎn)生霍金輻射。注意,，我說的是“可以產(chǎn)生”而不是“一定產(chǎn)生”,。實(shí)際上，產(chǎn)生霍金輻射還需要另一個(gè)必要條件,，那就是觀者所在的參照系必須能夠察覺到時(shí)空彎曲,。對(duì)黑洞附近自由下落的觀者來說，就不存在霍金輻射,。這也就是美國理論物理學(xué)家薩斯坎德（Leonard Susskind）所提出的所謂“黑洞互補(bǔ)原理”：遠(yuǎn)處的觀者看到熱黑洞，自由落向黑洞的觀者看到冷黑洞,，兩個(gè)看似矛盾的結(jié)論同時(shí)成立,。大概有些讀者被剛剛這一通論述搞得更暈了。別急,，且聽我慢慢道來,，從目前已知的物理學(xué)理論中，我們知道以下幾個(gè)事實(shí)：· 根據(jù)相對(duì)性原理,，任意兩個(gè)慣性系都是平等的,； · 根據(jù)量子理論，在宇宙各處測(cè)量真空零點(diǎn)能,，都應(yīng)該得到同樣的數(shù)值,； · 在加速運(yùn)動(dòng)的非慣性系中，觀者會(huì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度升高,，這被稱為安魯效應(yīng),，具體為  ，其中a是加速度,，k是玻爾茲曼常數(shù),，c是光速。 將這幾件事組合起來,，就可以理解霍金輻射的真正來源,。事實(shí)上，霍金在他發(fā)表的論文中，也正是基于這些出發(fā)點(diǎn)才推算出黑洞的溫度,。不過我們這里并不打算展示任何計(jì)算過程,，而是沿襲物理學(xué)家們的優(yōu)良傳統(tǒng)，通過一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來做簡要說明,。設(shè)想在自由下落的電梯中有位不幸的小A，他的朋友小B安靜地坐在樓下咖啡廳里,。按照定義,，小A的時(shí)空是平直的，而小B則處在彎曲的時(shí)空之中,，因?yàn)樗挚怪厍虻囊?。也就是說，小B的參照系是非慣性系,，相對(duì)于慣性觀者存在加速度g,。這個(gè)加速度g是地球質(zhì)量造成的，其數(shù)值越大代表此處的時(shí)空曲率越大,。兩人各自測(cè)量了真空零點(diǎn)能之后,，會(huì)得出相同的結(jié)論。假設(shè)T0（0為下標(biāo)）為二人公認(rèn)的零點(diǎn)能數(shù)值,，那么由于安魯效應(yīng)的存在,，小B測(cè)量到的溫度實(shí)際是T0+ΔT（0為下標(biāo)）。你看,，分歧就這樣產(chǎn)生了,。地球的質(zhì)量越大，二者間的分歧就越大,，如果把這個(gè)場(chǎng)景搬到黑洞表面,，就可以解釋那個(gè)詭異的“黑洞互補(bǔ)原理”。而由安魯效應(yīng)產(chǎn)生的,，就是霍金輻射的溫度,。當(dāng)然，從尊重歷史的角度來說,，霍金推導(dǎo)黑洞溫度的工作在前,，安魯效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在后，并不能說霍金的工作使用了安魯效應(yīng)作為工具,。不過當(dāng)時(shí)霍金顯然已經(jīng)意識(shí)到了非慣性系中額外溫度的存在,，否則也無法得出那么漂亮的理論成果。在理解了霍金輻射的緣由之后,，我們驀然發(fā)現(xiàn),，不僅黑洞可以慢慢蒸發(fā),，原來任何天體都存在這種能量蒸發(fā)機(jī)制。質(zhì)量-時(shí)空彎曲-熱輻射-能量蒸發(fā),，這幾條自發(fā)聯(lián)系在一起的規(guī)律,，暗示了相對(duì)論、量子理論和熱力學(xué)之間頗為隱秘的內(nèi)在聯(lián)系,，也正是蘊(yùn)含豐富的理論金礦,。循著這些蛛絲馬跡，后續(xù)研究者正在不斷得出驚艷的成果,。而時(shí)空曲率中蘊(yùn)含著能量輻射這件事,，更是令工程師和科幻作家們?nèi)绔@至寶，紛紛設(shè)想著如何利用這種免費(fèi)的能量源實(shí)現(xiàn)類似“永動(dòng)機(jī)”一般的星際旅行飛船,。
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