霍金與黑洞

陳在興12號(hào)

史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日－），英國(guó)著名物理學(xué)家，被譽(yù)為繼愛(ài)因斯坦之后最杰出的理論物理學(xué)家。肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥患者，全身癱瘓，不能發(fā)音。

霍金的研究領(lǐng)域主要是宇宙論和黑洞，證明了廣義相對(duì)論的奇性定理和黑洞面積定理，提出了黑洞蒸發(fā)現(xiàn)象和無(wú)邊界的霍金宇宙模型，在統(tǒng)一20世紀(jì)物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論——愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的相對(duì)論和普朗克創(chuàng)立的量子力學(xué)方面走出了重要一步?；艚鹬小稌r(shí)間簡(jiǎn)史》（1988年）、《果殼中的宇宙》等科普著作，均被翻譯為多種語(yǔ)言出版，是全球最暢銷(xiāo)的科普著作之一。

他因患“漸凍癥”（肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥盧伽雷氏癥），禁錮在一把輪椅上達(dá)40年之久，他卻身殘志不殘，使之化為優(yōu)勢(shì)，克服了殘廢之患而成為國(guó)際物理界的超新星。他不能寫(xiě)，甚至口齒不清，但他超越了相對(duì)論、量子力學(xué)、大爆炸等理論而邁入創(chuàng)造宇宙的“幾何之舞”。盡管他那么無(wú)助地坐在輪椅上，他的思想?yún)s出色地遨游到廣袤的時(shí)空，解開(kāi)了宇宙之謎。

他被世人譽(yù)為“在世的最偉大的科學(xué)家”“另一個(gè)愛(ài)因斯坦”“不折不扣的生活強(qiáng)者”“敢于向命運(yùn)挑戰(zhàn)的人”“宇宙之王”。

霍金的黑洞理論概括起來(lái)就是一句話：黑洞不黑！與先前主流觀點(diǎn)不同?；艚鹫J(rèn)為黑洞并不像人們認(rèn)為的那樣是完全黑暗，也就是對(duì)任何射線只吞不吐。他認(rèn)為黑洞也會(huì)向外發(fā)射x射線、γ射線等輻射。這被命名為“霍金輻射”。但這僅是他的猜測(cè)。并沒(méi)有任何觀測(cè)結(jié)果支持.

一、霍金的故事

霍金1942年出生于英國(guó)牛津，出生當(dāng)天正好是伽利略逝世300年忌日，父親弗蘭克是畢業(yè)于牛津大學(xué)的熱帶病專(zhuān)家，母親伊莎貝爾1930年代于牛津研究哲學(xué)、政治和經(jīng)濟(jì)。

1942年1月，納粹德軍轟炸英格蘭，倫敦遭受幾乎夜夜不停的空襲。這迫使霍金一家搬離海格特的家園，遷到牛津避難。他們?cè)诨艚鹫Q生后又回到了倫敦。童年時(shí)的霍金，學(xué)業(yè)成績(jī)并不突出，但喜歡設(shè)計(jì)極為復(fù)雜的玩具，據(jù)說(shuō)他曾做出一臺(tái)簡(jiǎn)單的電腦。

1959年，17歲的霍金入讀牛津大學(xué)的大學(xué)學(xué)院攻讀自然科學(xué)，自稱(chēng)用了很少時(shí)間而得到一等榮譽(yù)學(xué)位，隨后轉(zhuǎn)讀劍橋大學(xué)研究宇宙學(xué)，1963年被診斷患有肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥，即運(yùn)動(dòng)神經(jīng)病，當(dāng)時(shí)醫(yī)生診斷他只能活兩年，他雖然活下來(lái)，但在往后數(shù)十年逐漸全身癱瘓并失去了說(shuō)話能力。

霍金曾澄清自己當(dāng)時(shí)并無(wú)酗酒，只感到自己有“悲劇性格”，并使自己沉醉于瓦格納的音樂(lè)里。直至他遇上了首任妻子珍·王爾德（Jane Wilde），兩人結(jié)婚后育有3名子女。23歲時(shí)，他取得了博士學(xué)位，留在劍橋大學(xué)進(jìn)行研究工作。

就在霍金攻讀博士學(xué)位前后，倫敦大學(xué)柏貝克學(xué)院教授羅杰·彭羅斯在1960年代初開(kāi)始發(fā)展奇點(diǎn)理論，引起劍橋大學(xué)的研究小組注意，霍金聽(tīng)畢彭羅斯的研究后，回程途中向他的老師說(shuō)：“如果把彭羅斯的奇點(diǎn)理論，運(yùn)用到整個(gè)宇宙不知道會(huì)得到什么結(jié)果？”

1970年代初，霍金與彭羅斯合作發(fā)表論文，指出如果廣義相對(duì)論是正確的，宇宙大爆炸前必然有奇點(diǎn)存在，成為首篇重要文章，隨后成為少數(shù)認(rèn)真看待黑洞的學(xué)者，他結(jié)合了量子力學(xué)及廣義相對(duì)論，于1974年3月1日，霍金在《自然》提出黑洞發(fā)出一種能量，最終導(dǎo)致黑洞蒸發(fā)，該能量被命名為霍金輻射，引起全球物理學(xué)家重視?；艚鸬男掳l(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是多年來(lái)理論物理學(xué)最重要的進(jìn)展。該論文被稱(chēng)為“物理學(xué)史上最深刻的論文之一”。

這數(shù)年的研究，令他迅速蜚聲學(xué)術(shù)界。1975至1976年間，先后獲得倫敦皇家天文學(xué)會(huì)的埃丁頓勛章、梵蒂岡教皇科學(xué)學(xué)會(huì)十一世勛章、霍普金斯獎(jiǎng)、美國(guó)丹尼歐海涅曼獎(jiǎng)、馬克斯賴克獎(jiǎng)和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的休斯勛章，1978年再獲阿爾伯特·愛(ài)因斯坦獎(jiǎng)。自1979年他被聘用為劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理學(xué)院的盧卡斯教授，牛頓于1663年亦曾出任這榮譽(yù)職位。2006年11月底更獲英國(guó)皇家學(xué)會(huì)頒授科普利獎(jiǎng)?wù)拢–opley Medal），與愛(ài)因斯坦及達(dá)爾文齊名。

1983年，霍金和吉姆·和特勒（Jim Hurtle）進(jìn)一步提出“宇宙無(wú)邊界”（No Boundary Proposal），改變了當(dāng)時(shí)科學(xué)家對(duì)宇宙的看法。每個(gè)人都有自己的成就，而這就是霍金的成就！

1988年，霍金的科普著作《時(shí)間簡(jiǎn)史：從大爆炸到黑洞》發(fā)行，從研究黑洞出發(fā)，探索了宇宙的起源和歸宿，該書(shū)被譯成40余種語(yǔ)言，出版逾1000余萬(wàn)冊(cè)，但因書(shū)中內(nèi)容極其艱深，在西方被戲稱(chēng)為“讀不來(lái)的暢銷(xiāo)書(shū)”（Unread Bestseller），有學(xué)者曾指這種書(shū)之所以仍可以如此暢銷(xiāo)，是因?yàn)闀?shū)本嘗試解答過(guò)去只有神學(xué)才能觸及的題材：時(shí)間有沒(méi)有開(kāi)端，空間有沒(méi)有邊界。2001年10月又一部作品《果殼中的宇宙》出版發(fā)行。該書(shū)是《時(shí)間簡(jiǎn)史》的姐妹篇，以相對(duì)簡(jiǎn)化的手法及大量圖解，訴說(shuō)宇宙起源。2006年，他在香港透露正與女兒合撰一套類(lèi)似《哈里波特》，但主題是理論物理學(xué)而非魔法的小說(shuō):《勇闖宇宙三部曲》

霍金亦試圖通過(guò)通俗演講，將自己的思想與整個(gè)世界交流，除了常在英國(guó)及美國(guó)發(fā)表演說(shuō)，他90年代曾兩次到訪日本，2002年8月曾到訪杭州發(fā)表《膜的新奇世界》（Brane New World），2006年6月在香港科技大學(xué)發(fā)表《宇宙的起源》時(shí)，轟動(dòng)一時(shí)，被戲稱(chēng)受到“搖滾巨星”級(jí)的接待。霍金的聲望，令他多次獲邀到外地演說(shuō)，常獲國(guó)家元首接見(jiàn)。

霍金曾指，大眾會(huì)好奇一位殘障人士，為何會(huì)想到這么多宇宙論，令他成了大眾媒體的寵兒。事實(shí)上，他在“星際旅行”中的電視系列劇“下一代”（Star Trek: The NextGeneration）飾演過(guò)自己，與愛(ài)因斯坦及牛頓一起打橋牌；他亦曾在美國(guó)卡通片《辛普森一家》中演出，拯救劇中的女孩；他亦于2012年4月份在美國(guó)情景喜劇《生活大爆炸》第5季第21集中客串并飾演自己。

近乎全身癱瘓的霍金，除了四肢不能移動(dòng)，1980年代他因肺炎而接受手術(shù)后，亦失去說(shuō)話能力，但憑一張高科技輪椅，他仍可能發(fā)音合成語(yǔ)音、通電話，以及寫(xiě)下一條條艱深方程式。據(jù)報(bào)霍金正嘗試一套新系統(tǒng)，讓電腦直接閱讀他腦內(nèi)的訊息，做到“我腦寫(xiě)我口”。

他說(shuō)話時(shí)，會(huì)先抽動(dòng)右面頰肌肉，當(dāng)眼鏡上的紅外線感應(yīng)器收到訊息后，電腦就會(huì)自動(dòng)打字。霍金每抽動(dòng)一下，浮標(biāo)即可選定目標(biāo)。電腦由英特爾量身訂造；語(yǔ)音系統(tǒng)于1980年代中由美國(guó)公司W(wǎng)ords-Plus撰寫(xiě)，該公司為令霍金可以使用新的WindowsXP系統(tǒng)，特意為他重寫(xiě)整套程式。當(dāng)霍金突然發(fā)笑，面頰肌肉抽動(dòng)太大，屏幕便會(huì)出現(xiàn)一堆垃圾字。

二、黑洞不黑

黑洞（Blackhole）是根據(jù)現(xiàn)代的廣義相對(duì)論所預(yù)言的，在宇宙空間中存在的一種質(zhì)量相當(dāng)大的天體。黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮而形成。黑洞的質(zhì)量是如此之大，它產(chǎn)生的引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，以至于任何物質(zhì)和輻射都無(wú)法逃逸，就連光也逃逸不出來(lái)。由于類(lèi)似熱力學(xué)上完全不反射光線的黑體，故名為黑洞。在黑洞的周?chē)?，是一個(gè)無(wú)法偵測(cè)的事件視界，標(biāo)志著無(wú)法返回的臨界點(diǎn)。由于黑洞中的光無(wú)法逃逸，所以我們無(wú)法直接觀測(cè)到黑洞。然而，可以通過(guò)測(cè)量它對(duì)周?chē)祗w的作用和影響來(lái)間接觀測(cè)或推測(cè)到它的存在。2011年12月，天文學(xué)家首次觀測(cè)到黑洞“捕捉”星云的過(guò)程。

當(dāng)大質(zhì)量天體演化末期，其坍縮核心的質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的3.2倍時(shí)，由于沒(méi)有能夠?qū)挂Φ某饬?，核心坍塌將無(wú)限進(jìn)行下去，從而形成黑洞。（核心小于1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的，會(huì)變成白矮星；介于兩者之間的，形成中子星）。天文學(xué)的觀測(cè)表明，在絕大部分星系的中心，包括銀河系，都存在超大質(zhì)量黑洞，它們的質(zhì)量從數(shù)百萬(wàn)個(gè)直到數(shù)百億個(gè)太陽(yáng)。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)有黑洞解。其中最簡(jiǎn)單的球?qū)ΨQ(chēng)解為史瓦西度規(guī)。這是由卡爾·史瓦西于1915年發(fā)現(xiàn)的愛(ài)因斯坦方程的解。

根據(jù)史瓦西解，如果一個(gè)重力天體的半徑小于一個(gè)特定值，天體將會(huì)發(fā)生坍塌，這個(gè)半徑就叫做史瓦西半徑。在這個(gè)半徑以下的天體，其中的時(shí)空嚴(yán)重彎曲，從而使其發(fā)射的所有射線，無(wú)論是來(lái)自什么方向的，都將被吸引入這個(gè)天體的中心。因?yàn)橄鄬?duì)論指出在任何慣性座標(biāo)中，物質(zhì)的速率都不可能超越真空中的光速，在史瓦西半徑以下的天體的任何物質(zhì)，都將塌陷于中心部分。一個(gè)有理論上無(wú)限密度組成的點(diǎn)組成重力奇點(diǎn)（gravitational singularity）。由于在史瓦西半徑內(nèi)連光線都不能逃出黑洞，所以一個(gè)典型的黑洞確實(shí)是絕對(duì)“黑”的。

恒星的時(shí)空扭曲改變了光線的路徑，使之和原先沒(méi)有恒星情況下的路徑不一樣。光在恒星表面附近稍微向內(nèi)偏折，在日食時(shí)觀察遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光線，可以看到這種偏折現(xiàn)象。當(dāng)該恒星向內(nèi)坍塌時(shí)，其質(zhì)量導(dǎo)致的時(shí)空扭曲變得很強(qiáng)，光線向內(nèi)偏折得也更強(qiáng)，從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難。對(duì)于在遠(yuǎn)處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑（史瓦西半徑）時(shí)，其質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空扭曲變得如此之強(qiáng)，使得光向內(nèi)偏折得這么也如此之強(qiáng)，以至于光線再也逃逸不出去。這樣，如果光都逃逸不出來(lái)，其他東西更不可能逃逸，都會(huì)被拉回去。也就是說(shuō)，存在一個(gè)事件的集合或時(shí)空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者，這樣的區(qū)域稱(chēng)作黑洞。將其邊界稱(chēng)作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。

與別的天體相比，黑洞十分特殊。人們無(wú)法直接觀察到它，科學(xué)家也只能對(duì)它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來(lái)的的原因即是彎曲的時(shí)空。根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)空會(huì)在引力場(chǎng)作用下彎曲。這時(shí)候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短光程傳播，但相對(duì)而言它已彎曲。在經(jīng)過(guò)大密度的天體時(shí)，時(shí)空會(huì)彎曲，光也就偏離了原來(lái)的方向。

在地球上，由于引力場(chǎng)作用很小，時(shí)空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周?chē)?，時(shí)空的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會(huì)落入黑洞中消失，可另一部分光線會(huì)通過(guò)彎曲的空間中繞過(guò)黑洞而到達(dá)地球。觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。

更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見(jiàn)這顆恒星的“臉”，還同時(shí)看到它的“側(cè)面”、甚至“后背”，這是宇宙中的“引力透鏡”效應(yīng)。

1970 年中以前，科學(xué)家一直相信黑洞只會(huì)吸進(jìn)物質(zhì)，四周“漆黑”一片，當(dāng)吸引更多物質(zhì)時(shí)，黑洞的質(zhì)量亦隨之上升，霍金另一創(chuàng)見(jiàn)是指出，黑洞不是真的很黑（Black Holes aren't so black），而且黑洞內(nèi)存在溫度。有溫度的物質(zhì)自然會(huì)釋放輻射，由于輻射是一種能量，黑洞最終因耗盡能量而消失，即所謂“黑洞蒸發(fā)論”。

霍金這次發(fā)現(xiàn)，拜量子力學(xué)所賜。過(guò)去科學(xué)家以為黑洞內(nèi)的“真空狀態(tài)”，代表內(nèi)里沒(méi)有任何物質(zhì)，但霍金約 1974～1976 年指出，如果量子力學(xué)正確，人類(lèi)從極度微觀中觀看宇宙的“真空”時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一對(duì)對(duì)的光子不斷產(chǎn)生，但能量在真空中無(wú)法保持固定值，令這些成相成對(duì)的光子不斷搖晃，最終消滅。他相信，當(dāng)黑洞質(zhì)量越少，釋放光子的速度越快，加速黑洞的消失。

這種從黑洞中釋出的能量，被稱(chēng)為霍金輻射，但由于這種輻射極其微弱，科學(xué)界至今雖然公認(rèn)它在理論上可行，仍未能從觀察中發(fā)現(xiàn)它的存在。這亦說(shuō)明，即使霍金輻射是真實(shí)存在，但其能量過(guò)弱，意味黑洞要經(jīng)過(guò)極長(zhǎng)時(shí)間后，才能耗盡能量，造成蒸發(fā)。

1976年，霍金稱(chēng)自己通過(guò)計(jì)算得出結(jié)論，他認(rèn)為黑洞在形成過(guò)程中，其質(zhì)量減少的同時(shí)還不斷在以能量的形式向外界發(fā)出輻射。這就是著名的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內(nèi)部物質(zhì)的任何信息，一旦這個(gè)黑洞濃縮并蒸發(fā)消失后，其中的所有信息就都隨之消失了。這便是所謂的“黑洞悖論”。

這種說(shuō)法與量子力學(xué)的相關(guān)理論出現(xiàn)相互矛盾之處。因?yàn)楝F(xiàn)代量子物理學(xué)認(rèn)定這種物質(zhì)信息是永遠(yuǎn)不會(huì)完全消失的。近30年來(lái)，霍金試圖以各種推測(cè)來(lái)解釋這一自相矛盾的觀點(diǎn)?；艚鹪硎荆诙粗辛孔舆\(yùn)動(dòng)是一種特殊情況，由于黑洞中的引力非常強(qiáng)烈，量子力學(xué)在此時(shí)已經(jīng)不再適用了。但是霍金的這種說(shuō)法并沒(méi)有得到科學(xué)界眾多持懷疑態(tài)度學(xué)者的信服。

如今，霍金終于給了這個(gè)當(dāng)年自相矛盾觀點(diǎn)一個(gè)更具有說(shuō)服力的答案。霍金稱(chēng)，黑洞從來(lái)都不會(huì)完全關(guān)閉自身，他們?cè)谝欢温L(zhǎng)的時(shí)間里逐步向外界輻射出越來(lái)越多的熱量，隨后黑洞將最終開(kāi)放自己并釋放出其中包含的物質(zhì)信息。

根據(jù)量子場(chǎng)論，真空并不是絕對(duì)的空無(wú)一物，真空中會(huì)不斷地著產(chǎn)生出正反粒子對(duì)，接著正反粒子對(duì)又在很短時(shí)間里湮滅。什么是正反粒子對(duì)呢？物理學(xué)上由狄拉克方程預(yù)言每種微觀粒子都存在有它的“反粒子”。電子是帶負(fù)電荷的，而人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了正電子，正負(fù)電子就是一對(duì)正反粒子對(duì)。正反粒子一相遇就會(huì)發(fā)生湮滅，同歸于盡。　　

霍金認(rèn)為，在黑洞的周?chē)?，正反粒子?duì)產(chǎn)生后有四種可能的結(jié)果：一、湮滅；二、一起落入黑洞；三、正粒子落入黑洞而反粒子逃脫出來(lái)；四、反粒子落入黑洞而正粒子逃脫出來(lái)。最后一種結(jié)果的可能性最大。反粒子帶有負(fù)的能量，落入黑洞之后會(huì)使黑洞的能量減少，而逃脫出來(lái)的正粒子就好像是從黑洞向外發(fā)射出了能量。這就是黑洞的蒸發(fā)。黑洞的質(zhì)量越大，蒸發(fā)得越慢?！　?/p>

由于這里說(shuō)的是黑洞周?chē)皇莾?nèi)部的情況，所以黑洞蒸發(fā)并沒(méi)有違背黑洞內(nèi)的物質(zhì)和能量不能逃出黑洞的基本原則。但蒸發(fā)的結(jié)果卻會(huì)導(dǎo)致視界的能量減少，同時(shí)有能量從視界周?chē)蛲饨绨l(fā)射！

霍金計(jì)算出：質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的黑洞，一年的蒸發(fā)量?jī)H10^-20焦耳，可維持壽命約10⁶⁷年；質(zhì)量為10¹²千克的小黑洞，每秒蒸發(fā)掉6×10⁹焦耳的能量，其壽命約為100億年，與恒星的壽命相當(dāng)。　　

霍金還據(jù)此提出了質(zhì)量為10¹⁵克量級(jí)的微型黑洞概念。

基本上，大質(zhì)量的黑洞可存活比較久一些。一般恒星死亡產(chǎn)生的黑洞可以活10⁶⁶年，而星系黑洞則可以活10⁹⁰年，這樣也可以說(shuō)明為什么我們無(wú)法觀測(cè)到宇宙誕生時(shí)所產(chǎn)生的微黑洞，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)蒸發(fā)殆盡。

參考資料：

1、史蒂芬·霍金——維基百科

2、斯蒂芬·威廉·霍金——百度百科

3、黑洞——維基百科

4、黑洞——百度百科

5、霍金輻射——維基百科

6、黑洞蒸發(fā)——百度百科

7、霍金：關(guān)于黑洞我可能弄錯(cuò)了——人民網(wǎng)2004年07月22日

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