第16章 黑洞不是这么黑的(1)

1973年9月我拜候莫斯科时，和苏联两位最首要的专家雅可夫・捷尔多维奇和亚历山大・斯塔拉宾斯基会商黑洞题目。他们压服我，遵循量子力学不肯定性道理，扭转黑洞应当产生并辐射粒子。在物理学的根本上，我信赖他们的论点，但是不喜好他们计算辐射所用的数学体例。是以，我动手设想一种更好的数学措置体例，并于1973年11月尾在牛津的一次非正式会商会大将其公布于众。当时我还没计算出实际上有多少辐射。我预感要发明的恰是捷尔多维奇和斯塔拉宾斯基预言的从扭转黑洞收回的辐射。但是，当我做了计算，使我既诧异又恼火的是，我发明乃至非扭转黑洞明显也应以稳定速率产生和发射粒子。

我俄然认识到，这些光芒的途径永久不成能相互靠近。如果它们靠近，它们终究就必然相撞。这正如和另一个往相反方向逃离差人的人相遇一样――你们俩都会被抓住（或者，在这类景象下落到黑洞中去）。但是，如果这些光芒被黑洞淹没，那它们就从未在黑洞的鸿沟上呆过。

如果处置务视界（亦即黑洞鸿沟）来的光芒永不相互靠近，则事件视界的面积能够保持稳定或者随时候增大，但它永久不会减小――因为这意味着起码鸿沟上的一些光芒必须相互靠近。究竟上，每当物质或辐射落到黑洞中去，这面积就会增大；或者如果两个黑洞碰撞并归并成一个伶仃的黑洞，这最后的黑洞的事件视界面积就会大于或即是本来黑洞事件视界面积的总和。事件视界面积的非减性子给黑洞的能够行动加上了首要的限定。我为我的发明如此冲动，乃至于当夜没睡多少。第二天，我给罗杰・彭罗斯打电话，他同意我的成果。我想，究竟上他此前已经认识到了这个面积的性子。

以是在事件视界上的光芒的途径必须永久相互平交活动或相互散开。另一种看到这一点的体例是，事件视界，亦即黑洞鸿沟，正像一个影子的边沿――一个即将临头的灾害的影子。如果你看到在远间隔上的一个源，比方太阳，投下的影子，就能明白边沿上的光芒不会相互靠近。

以是在空虚的空间里场不成能严格地被牢固为零，因为那样它就既有精确的值（零）又有精确的窜改率（也是零）。场的值必须有必然的最小的不肯定性量或量子起伏。

在1970年之前，我关于广义相对论的研讨，首要集合因而否存在一个大爆炸奇点。但是，同年11月我的女儿露西出世后不久的一个早晨，当我上床时，开端思虑黑洞的题目。我的残废使得这个过程相称迟缓，如许我有大量时候。当时候还不存在关于时空的那些点是在黑洞以内还是在黑洞以外的准肯定义。我已经和罗杰・彭罗斯会商过将黑洞定义为不能逃逸到远处的事件调集的设法，这也就是现在被遍及接管的定义。它意味着，黑洞鸿沟――即事件视界――是由刚好不能从黑洞逃逸，而只在边沿上永久回旋的光芒在时空里的途径构成的 。这有点像从差人那边逃开，但是仅仅保持比差人快一步，而不能完整逃脱的景象！

看来在大多数环境下，这个建议制止热力学第二定律遭到违背。但是另有一个致命的瑕疵。如果一个黑洞具有熵，那它也应当有温度。但具有特定温度的物体必须以必然的速率收回辐射。从平常经历晓得：只要将火钳在火上加热，它就会发光发热，收回辐射。但在高温下物体也收回辐射；只是因为辐射量相称小，在凡是环境下没有重视到。为了制止违背热力学第二定律，这辐射是必须的。以是黑洞必须收回辐射。但恰是遵循其定义，黑洞被以为是不收回任何东西的物体。是以，黑洞的事件视界的面积仿佛不能以为是它的熵。1972年，我和布兰登・卡特以及美国同事詹姆・巴丁合写了一篇论文，在论文中我们指出，固然在熵和事件视界的面积之间存在很多类似点，但还存在着这个致命的困难。我必须承认，写此文章的部分动机是因为被柏肯斯坦激愤，我感觉他滥用了我的事件视界面积增加的发明。但是，最后发明，他根基上还是精确的，固然是在一种他必定没有预感到的景象下。

人们非常轻易从黑洞面积的非减行动遐想起被叫做熵的物理量的行动。熵是测量一个体系的无序的程度。知识奉告我们，如果不停止内部干与，事物老是偏向于增加它的无序度。（你只要停止保养屋子就会看到这一点！）人们能够从无序中缔造出有序来（比方你能够油漆屋子），但是必须耗损精力或能量，如许减少了可操纵的有序能量的数量。

但是，他利用了略微分歧的黑洞定义。他没成心识到，假定黑洞已经停止于不随时候窜改的状况，遵循这两种定义，黑洞的鸿沟并是以其面积都应是一样的。

比方，考虑一盒气体分子的体系。分子能够以为是不竭相互碰撞，并不竭从盒子壁反弹返来的康乐球。气体的温度越高，分子活动得越快，如许它们撞击盒壁越频繁也越短长，并且它们感化到壁上的向外的压力越大。假定初始时统统分子被一隔板限定在盒子的左半部。如果接着将隔板撤除，这些分子将趋势散开并充满盒子的两半。在今后的某一时候，统统这些分子偶尔会都呆在右半部或回到左半部，但占绝对上风的能够性是，分子的数量在摆布两半大抵不异。这类状况比本来的统统分子都在一个半部的状况更加无序。是以，人们说气体的熵增加了。近似地，假定我们从两个盒子开端，将一个盒子充满氧分子，另一个盒子充满氮分子。如果把两个盒子连在一起并移去中间的壁，则氧分子和氮分子就开端异化。在厥后的时候，最能够的状况是两个盒子都充满了相称均匀的氧分子和氮分子的异化物。这类状况比本来分开的两盒的初始状况更无序，即具有更大的熵。

人们能够将这些起伏了解为光或引力的粒子对，它们在某一时候同时呈现，相互分开，然后又相互靠近，并且相互泯没。这些粒子正如同照顾太阳引力的虚粒子：它们不像真的粒子那样，能用粒子探测器直接察看到。但是，它们的直接效应，比方原子中的电子轨道能量产生的藐小窜改，可被测量出，并和实际预言分歧的程度，令人非常惊奇。不肯定性道理还预言了存在近似的虚的物质粒子对，比方电子对和夸克对。但是在这类景象下，粒子对的一个成员为粒子，而另一成员为反粒子（光和引力的反粒子和粒子不异）。

开初我觉得这类辐射表白我利用的一种近似无效。我担忧如果柏肯斯坦发明了这个环境，他就必然会用它去进一步支撑他关于黑洞熵的思惟，而我仍然不喜好这类思惟。但是，我越细心考虑，越感觉这近似实在应当有效。但是，最后使我佩服这辐射是实在的来由是，这辐射的粒子谱刚好是一个热体辐射的谱，并且黑洞以刚好制止第二定律被违背的精确速率发射粒子。而后，其别人用多种分歧的情势反复了这个计算。他们统统人都证明了黑洞必须如同一个热体那样发射粒子和辐射，其温度只依靠于黑洞的质量――质量越大则温度越低。

我们晓得，任何东西都不能从黑洞的事件视界以内逃逸出来，黑洞如何能够发射粒子呢？量子实际给我们的答复是，粒子不是从黑洞内里出来的，而是从紧靠黑洞的事件视界的内里的“空虚的”空间来的！我们能够用以下的体例去了解这个：我们觉得是“空虚的”空间不能是完整空的，因为那就意味着诸如引力场和电磁场的统统场都必须刚好是零。但是场的数值和它的时候窜改率如同粒子的位置和速率那样：不肯定性道理意味着，人们对此中的一个量晓得得越精确，则对另一个量晓得得越不精确。

热力学第二定律是这个看法的一个精确描述。它陈述道：一个伶仃体系的熵老是增加的，并且将两个体系连接在一起时，其归并体系的熵大于统统伶仃体系熵的总和。

和其他科学定律，比方牛顿引力定律比拟，热力学第二定律的状况相称分歧。比方，它只是在绝大多数的而非统统景象下建立。在今后某一时候，我们第一个盒子中的统统气体分子在盒子的一半被发明的概率只要几万亿分之一，但它们能够产生。但是，如果四周有一黑洞，仿佛存在一种非常轻易的体例违背第二定律：只要将一些具有大量熵的物体，比方一盒气体，抛进黑洞里。黑洞以外物体的总熵就会减少。当然，人们仍然能够说，包含黑洞里的熵的总熵没有降落――但是因为没有体例看到黑洞内里，我们不能晓得内里物体的熵为多少。如果黑洞具有某一特性，黑洞外的察看者因之可晓得它的熵，并且只要照顾熵的物体一落入黑洞，它就会增加，那将是很美好的。紧接着上述的黑洞面积定理的发明，即只要物体落入黑洞，它的事件视界面积就会增加，普林斯顿大学一名名叫雅可布・柏肯斯坦的研讨生提出，事件视界的面积便是黑洞熵的量度。因为照顾熵的物质落到黑洞中时，它的事件视界的面积会增加，如许就使黑洞外物质的熵和事件视界面积的和永久不会降落。