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[新浪科技综合]霍金说了善意的谎言新浪科技综合2020-08-10 12:32:480阅

文章来源：返朴
撰文 | 董唯元
1974年 ， 霍金发表了关于黑洞辐射的研究 ， 向人们展示了黑洞不同寻常的一面——它竟然有温度 ， 并且持续向外辐射能量 ， 这些辐射带走了能量 ， 黑洞自身会渐渐蒸发消失！这个重大理论发现不仅奠定了霍金本人的学术地位 ， 也开创了黑洞热力学这门全新学科 ， 对整个现代物理学的后续发展都意义重大 。
十几年后 ， 霍金在他那本著名的科普著作《时间简史》中 ， 用一个形象的描述介绍了黑洞辐射的物理机制 。 这个模型大意是说：处在黑洞视界附近的真空中会因随机涨落出现粒子对 ， 如果其中的负能量粒子不慎落入黑洞 ， 剩下的正能量粒子就会成为霍金辐射 。
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图1/4这个说法非常直观易懂 ， 所以在各类科普文章中流传甚广 ， 连我自己也在不久前的一篇文章里习惯性地顺手引用了一次 。 在那篇《温度与神秘的虚时间》的结尾处 ， 谈到一种巧算黑洞温度的方法时 ， 为了叙述完整 ， 就用这个说法来铺垫黑洞辐射的物理机制 。
返朴的读者慧眼如炬 ， 立即有人在评论区里提出了尖锐的质疑 。 我当时虽然抖机灵给霍金的说法临时打了个补丁 ， 但其实内心慌得一匹 ， 必须得再写点文字专门说明一下 。
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图2/4事实上 ， 霍金想出的这套科普版描述 ， 只是比喻意义上的说法 ， 与严格物理事实并不完全吻合 ， 所以难免会产生理解的偏差 。 首先关于“真空虚粒子对”这个概念 ， 就不能轻易地直接当做两个真实粒子看待 。 这本是为了计算真空中能量涨落 ， 而在数学上使用的一种等效工具 ， 其名称中的一个“虚”字就已经明确地提出了警示——在数学处理过程中假装一下也就罢了 ， 切不可在物理上太当真 。 这就好比在说“我的梦想掉进了黑洞 ， 世间只剩无处安放的灵魂” ， 都只是比喻而已 。
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图3/4有人可能会觉得我过于矫情 ， 因为那些懂量子场论的读者本来就把霍金的说法理解为“黑洞视界处的变态级时空曲率撕裂了真空的能量态” ， 似乎并没有被虚粒子对的概念骗到 。 可惜这种理解仍然是错误的 ， 至于具体错在哪里 ， 就得从下面这个问题说起 。
霍金辐射的源头是在视界处吗？
这个问题的答案是否定的 。
如果我们在黑洞视界外面包裹一圈反光板 ， 把所有来自视界的光子都反弹回去 ， 站在远处的人其实仍然能够接收到来自黑洞的辐射！是不是很意外？还有 ， 即使像太阳和月亮这样的普通天体 ， 压根就不具有变态级曲率的视界 ， 也会产生霍金辐射 ， 只不过强度比黑洞弱很多 。 霍金辐射的根本原因在于时空曲率 ， 只要时空弯曲的地方 ， 就可以产生霍金辐射 。
注意 ， 我说的是“可以产生”而不是“一定产生” 。 实际上 ， 产生霍金辐射还需要另一个必要条件 ， 那就是观者所在的参照系必须能够察觉到时空弯曲 。 对黑洞附近自由下落的观者来说 ， 就不存在霍金辐射 。 这也就是美国理论物理学家萨斯坎德（Leonard Susskind）所提出的所谓“黑洞互补原理”：远处的观者看到热黑洞 ， 自由落向黑洞的观者看到冷黑洞 ， 两个看似矛盾的结论同时成立 。
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图4/4大概有些读者被刚刚这一通论述搞得更晕了 。 别急 ， 且听我慢慢道来 ， 从目前已知的物理学理论中 ， 我们知道以下几个事实：
? 根据相对性原理 ， 任意两个惯性系都是平等的；
? 根据量子理论 ， 在宇宙各处测量真空零点能 ， 都应该得到同样的数值；
? 在加速运动的非惯性系中 ， 观者会发现环境温度升高 ， 这被称为安鲁效应 ， 具体为， 其中a是加速度 ， k是玻尔兹曼常数 ， c是光速 。
将这几件事组合起来 ， 就可以理解霍金辐射的真正来源 。 事实上 ， 霍金在他发表的论文中 ， 也正是基于这些出发点才推算出黑洞的温度 。 不过我们这里并不打算展示任何计算过程 ， 而是沿袭物理学家们的优良传统 ， 通过一个思想实验来做简要说明 。
设想在自由下落的电梯中有位不幸的小A ， 他的朋友小B安静地坐在楼下咖啡厅里 。 按照定义 ， 小A的时空是平直的 ， 而小B则处在弯曲的时空之中 ， 因为他抵抗着地球的引力 。 也就是说 ， 小B的参照系是非惯性系 ， 相对于惯性观者存在加速度g 。 这个加速度g是地球质量造成的 ， 其数值越大代表此处的时空曲率越大 。
两人各自测量了真空零点能之后 ， 会得出相同的结论 。 假设T0（0为下标）为二人公认的零点能数值 ， 那么由于安鲁效应的存在 ， 小B测量到的温度实际是T0+ΔT（0为下标） 。 你看 ， 分歧就这样产生了 。 地球的质量越大 ， 二者间的分歧就越大 ， 如果把这个场景搬到黑洞表面 ， 就可以解释那个诡异的“黑洞互补原理” 。 而由安鲁效应产生的 ， 就是霍金辐射的温度 。
当然 ， 从尊重历史的角度来说 ， 霍金推导黑洞温度的工作在前 ， 安鲁效应的发现在后 ， 并不能说霍金的工作使用了安鲁效应作为工具 。 不过当时霍金显然已经意识到了非惯性系中额外温度的存在 ， 否则也无法得出那么漂亮的理论成果 。


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