黑洞-第24部分
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粒子由于真空极化而自发地产生，这不是一个理论幻想，而是已由实验证实的现象。考虑量子真空中的一个氢原子，它由一个带负电的电子和一个带正电的质子组成。在它周围，虚粒子对在不断地产生和消失，但是由质子和电子所产生的电场会使近邻区域的真空极化，于是带有相反电荷的粒子就会分离，在一个很短的瞬间形成一股很小的电流。这种电流会使电子在轨道上颤动，因而使氢原子发出的辐射频率出现微小的移动。这就是所谓“兰姆（Lain）移动”，1947年被实验探测到。
但是，真空是不容易被极化的，需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒子出现。而能量的形式则并不重要，可以是电能：当电容器极板间的电压超过一定限度时，真空极化，而电容器被击穿；也可以是热能：一块金属被稍稍加热就能发射光子（其反粒子就是自己），但要热到矿2开氏度才发射正一负电子对。
由于所有形式的能量都等价于质量，就可以合理地预期引力能也会被自发地转变成粒子。这正是霍金的发现的深刻意义。量子真空会被微型黑洞周围的强引力场所极化（图55）。在狄拉克海里，虚粒子对在不断地产生和消失，一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间，于是就有四种可能性：两个伙伴重新相遇并相互湮灭（过程1）；反粒子被黑洞捕获而正粒子在外部世界显形（过程H）；正粒子被捕获而反粒子逃出（过程m）；双双落入黑洞（过程W）。霍金计算了这些过程发生的几率，发现过程11最为常见。于是，能量的帐就是这样算的：由于有倾向地捕获反粒子，黑洞自发地损失能量，也就是损失质量。在外部观测者看来，黑洞在蒸发，即发出粒子气流。
黑洞与黑体
迄今已经考查了所有从黑洞提取能量的机制。黑洞的转动能和电能可以由经典的和量子的两种过程来取出。特别是，前面讲过的带电和转动黑洞由于超辐射过程的退激化，在微型黑洞的情况可以由真空极化来重新解释。黑洞总是喜欢从周围的虚粒子中捕获那些与自己的电荷或角动量反号的粒子，因此，即使一个真空中的微型黑洞在最初形成时有非零电荷和角动量，它总是倾向于自发地使自己中性化和减慢转动，从而尽快地达到史瓦西状态。可是，史瓦西黑洞也失去了其经典的“不可约性”，“死”质量会自动地蒸发。那么，黑洞辐射的精确特征是什么样的呢？
有趣的是，黑洞的辐射很像另一种有相同“颜色”的东西，就是黑体。黑体是一种理想的辐射源，处在由一定温度表征的完全热平衡状态。它发出所有波长的辐射，辐射谱只依赖于它的温度，而与其他性质无关。一只被加热到一定温度的完全不透明的炉子，上面只开有一个小孔留给观测者来接收其辐射，这只炉子就近似于黑体。事实上黑体是量子力学得以产生的历史根源之一。1899年，马克斯·普朗克正是在研究黑体的性质时提出了能量量子化的假设。
霍金的计算表明，黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。这个结果使得黑洞热力学完全自洽，因为它赋予了黑洞一个真实的、在整个视界上同一的、直接由表面引力来给定的温度。
对史瓦西黑洞来说，温度与质量成反比。质量与太阳一样的黑洞，其温度是微不足道的：开氏（即绝对零度以上）10”度。这并不奇怪，因为蒸发是一种量子现象，只对微型黑洞才特别有影响，而微型黑洞的温度是很高的。质量像小行星那么大的黑洞，具有“白热”熔炉的温度（开氏6000度），并辐射可见光。“典型”的微型黑洞质量为10”克，个儿像质子那么大，温度高到开氏10’‘度。这时的辐射就不再是集中于可见光段，而是由伽玛射线光子和大质量基本粒子混合组成。
越小的黑洞温度就越高，所以微型黑洞的发射就会越来越强，蒸发的最后阶段就表现为剧烈的爆发。一个10‘5克的黑洞要经过100亿年才完全蒸发掉，而它在最后几1秒里释放的能量相当于100万颗百万吨级的氢弹。
黑洞蒸发的最后结果尚不得而知。也许有人认为视界消失后将留下一个裸露的中心奇点，但是这种经典的看法很可能是错的。当黑洞半径缩减到普朗克长度（10”厘米）的量级时，时空几何自身的量子涨落变得重要起来，只有量子引力理论才能揭示微型黑洞的最后命运。如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉，应该说时空就会成为平直。量子引力是认识大爆炸和黑洞命运，即认识宇宙的开端和终结的必由之路。
引力不稳定性
一个通常的热力学系统处在一种较冷的介质中时会损失能量。它的温度降低而介质的温度升高，直到实现平衡为止，我们说这个系统有正比热。量子黑洞的行为则正相反，它失去能量时温度升高，反之亦然。如果周围介质的温度较高，黑洞就总是倾向于吸收能量，增大尺度，因而冷却，直至所有可得到的能量都已被吸收为止。反过来，如果介质温度较低，它就辐射，减小尺度，直至蒸发和消散掉自己所有的能量为止。这就是说，黑洞有着负比热，因而它根本上是不稳定的。
所有自引力系统，即其平衡只依赖于引力的系统，不论是量子系统与否，都是不稳定的。例如，在围绕地球轨道上的人造卫星会由于大气摩擦而损失引力能，因而沿螺旋线缓慢地朝地球下落。在这个过程中其速度和动能是增大的，所以它不能获得～个稳定轨道，最后只能坠落到地球上。
引力坍缩则是极端的例子。在自身重力作用下，一个恒星或恒星团这样的粒子系统辐射掉引力束缚能，不断收缩，温度变得越来越高。如果没有相反的力存在，奇点将不可避免地形成，达到平衡态是不可能的。微型黑洞的蒸发只不过是一种反方向上的引力坍缩，这可以由图55的时空图来证实。由于物质在离开视界，一个蒸发着的微型黑洞的“瞬时”状态就像一个白洞。因此，量子力学为黑洞提供了作为引力普遍特征的不稳定性。
更进一步，引力与热力学之间的联系可能是比黑洞广阔得多的自然领域的普遍特征。在黑洞的热力学转变过程中实际上起关键作用的是视界，而视界可以有着与黑洞毫不相干的意义。在狭义相对论的无引力平直时空里，一个具有恒定加速度的观测者不可能“经典地”获得来自一个遥远时空区域的信息，只是因为那个区域发出的辐射不能到达，对他来说那部分时空就隐藏在一个视界之后。如果考虑真空中的量子涨落，就可以得出加速（等效于一个均匀引力场）会使真空极化。如果那个观测者带有一个位于探测器，他将测量到一种黑体辐射形式的“鼻子噪声”，黑体的温度正比于他的加速度。在宇宙学里，膨胀宇宙模型也有视界，因而也有一个相联系的黑体温度（极低，不要与作为大爆炸遗迹的宇宙背景温度开氏27度相混淆）。
黑洞热力学已经把我们从蒸汽机带出很远了。
上帝耍人
基本粒子通过核力和电磁力而相互作用，这些作用服从已由实验验证的一定规则，正是这些规则使得科学家能够建立起一致的清楚的物理理论。规则中有一条是重子数守恒。简单说来，它是指在所有的基本相互作用中，必须保持粒子和反粒子的相称，所以一个光子（重子数为0）可以转变成一个中子（重子数为十l）和一个反中子（重子数为一1）组成的对，因为总的重子数保持为零。但是一个中子决不能转变成一对光子。另一个称为轻子的粒子家族，包括电子、U介子和中微于，也遵守一条相似的规则，这些粒子每个都有一个轻子数，在基本相互作用中总轻子数必须守恒。
粒子物理的这些基本规则被量子黑洞满不在乎地破坏了。我们已经看到黑洞在形成或吞噬物质时会“失去毛发”：所有关于粒子的信息在它们通过视界时全都丧失了。尤其是，一个由重于（例如大质量恒星中心的质子和中子）形成的黑洞并不记得它的重子数，它跟由反重子形成的黑洞完全一样，我们不可能看出有什么差异。且再耐心等等，在一定时间后黑洞会开始按照霍金机制而辐射，释放能量和摘。黑洞像黑体那样辐射这一事实，意味着它只能发射出相等数目的重子和反重子，或等数目的轻子和反轻子。也就是说，由蒸发的黑洞出来的净重子数总是为零。黑洞的蒸发破坏了重子数和轻子数守恒的规则。
这个惊人的性质表明，由黑洞蒸发所释放到外部介质的信息在通过视界时会“降级”。这种退化给离开黑洞的物质和辐射打上一个“热印记”，使得资料随机化。正因为此，霍金认为测不准原理在应用于黑洞时应被代之以“猜不准原理”。
爱因斯坦始终不喜欢量子力学，尽管他对这一理论的发展起过先锋作用。他不喜欢测不准原理包含的非决定论思想，并用这样一个短句来表达自己的反感：“上帝不掷骰子。”霍金的回答是：“上帝不只是掷骰子，还把骰子掷到我们看不到的地方！”第四篇：光的复归
世界的真正奥秘之所在，并不是不可见物，而是可见物。
——奥斯卡·王尔德（ Oscar wude）
第十五章 原初黑洞
团块
让我们返回到宇宙的极为遥远的过去，即150亿年以前。刚刚形成的宇宙并不是一种均匀平静的“汤”，由于微小涨落的激发，物质在自身引力作用下趋于聚集成团块。但是，像炉子里的蛋糕一样，宇宙由于大爆炸的力量而在膨胀。这种总体膨胀与局域凝聚之间的对立是当代物理学最大的问题之一：某些团块究竟是怎么发展成星系的呢？似乎宇宙的膨胀终究应该足以阻止局域的凝聚，以至于在宇宙的历史上，没有任何星系、恒星、行星以及处在这个链条终端的生命能够出现。
星系的存在“实验”地证明，原初宇宙中的某些涨落能够增长，并与整体膨胀相脱离。在这种凝聚过程中，密度反差，即团块相对于周围环境的质量超出，将无限制地增大。在初始阶段这种反差很小，即使团块总质量已有几百M时，密度的相对超出也只不过千分之一。而今天，对同样质量而言，密度反差已在ic万倍以上。引力干得多勤奋！（太阳型恒星与星际介质的密度反差还要大：10”比1。）
厨师都知道，在火上搅动一锅酱汁时，小团块比大的更容易形成。因此也有这样的可能，原初宇宙中那些大幅度的涨落使质量比星系小得多的物质首先凝聚成由引力控制的物体。正是通过引人这样一种机制，史蒂芬·霍金于1971年建议了原初黑洞的存在。
前面讲过，由恒星坍缩而形成的黑洞质量在3的量级，对原初黑洞没有这种制约，各种形状和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的微型黑洞。
有可能由天文观测来检验关于微型黑洞的思想吗？
碰撞中的世界
无疑地，最好是能在太阳系里找到微型黑洞。霍金提出，微型黑
