第三章
力学第二定律也许是最著名的。它指出,一个孤立系统的熵或无序度总是增加:鸡蛋一旦掉到地上被打碎,不大可能再恢复成原先的形状。
史蒂芬?霍金广义相对论是所谓的经典理论。它对每一个粒子预言一条单独的、确定的途径。
但是根据量子力学,这个二十世纪另一伟大的理论,粒子存在机遇和不确定的因素。
1973年访问莫斯科时,我和雅可夫?捷尔多维奇,这位苏联氢弹之父讨论量子力学在黑洞中的效应。此后不久我有一个最令人惊奇的发现。我发现粒子会从事件视界漏出来而且逃离黑洞。
我首先告诉了西阿玛这个发现,但是很快就意识到纸包不住火,这个消息保不住。在我吃生日大餐时,接到罗杰?彭罗斯的电话。他非常兴奋,讲了又讲,以至于我的大餐完全冷了。那是我非常喜爱的鹅肉,所以很可惜。
约翰?惠勒有一天雅各布?伯肯斯坦走进我的办公室。“雅各布,”我说,“当我把一个热茶杯放在一个冷茶杯旁边时,总是感到很不安。我让热从一个杯子流到另一个杯子,增加了宇宙的无序度,我犯的罪过永远在时间长廊中不断回响。可是,雅各布,如果有一个黑洞在附近徘徊,而我只要把这两个茶杯都扔进去,不就销毁了犯罪证据,是吗?”
雅各布看起来有些困惑,后来他回来告诉我:“不,你并没有销毁犯罪的证据。
黑洞把你所有发生的事记录了下来。所以黑洞的熵,也就是无序度增加了,因此永远会显现你的罪证。”
黑洞的无序度是多少,伯肯斯坦提供了一个近似值。史蒂芬?霍金和布兰登?卡特读到了伯肯斯坦的结论,他们感到非常困扰,甚至着手去证明这是错的。可是,他们越研究就越发现和他的结论一致。史蒂芬?霍金甚至研究得更深远,他设计出一个方案,用来理解粒子如何从黑洞出来,以及黑洞的温度不仅是理论上的温度,而且是粒子从黑洞蒸发出来时的真实温度。
黑洞并不是完全黑的。跟太阳一般大的黑洞大约温度是高于绝对零度的一百万分之一度——很微小,不过仍是有温度。
史蒂芬?霍金在我和布兰登?卡特合写的一篇文章中,我们指出了伯肯斯坦理论中一个致命的缺陷。如果黑洞具有熵,就应该具有温度。如果具有温度,就应该发出辐射。可是如果任何东西都不能从黑洞逃脱,黑洞又怎么能发出辐射?我必须承认,我写这篇文章的部分动机是不高兴伯肯斯坦滥用了我的事件视界面积增加的发现。最后的结果证明基本上他是正确的,虽然是以他绝未预料到的方式。
邓尼斯?西阿玛对于和热力学之间的这些相似,霍金起初只觉得好奇。而伯肯斯坦断言,它们是真正的热力学性质。因为史蒂芬?霍金和詹姆?巴丁以及布兰登?卡特在1973年写了一篇非常重要的文章,他们把这篇文章直截了当叫做《黑洞力学的四个定律》,而不叫着《黑洞热力学的四个定律》,所以你可以跟随他的思想演化。他们探讨这些相似性,但是强调这不是真正的热力学,而且他们有很充分的理由这么说。因为那个时候人们认为,一个热的黑洞仍然不能辐射;而如果一个热体不能辐射,你的热力学就失效,所以这些类比并无深意。
那是1973年的事。然后,在1973和1974年之间,霍金在研究当一颗恒星坍缩之际,把量子力学效应引进它的外围区域时会发生什么事。他利用复杂的计算发现了:坍缩恒星变化的引力场会存在辐射。他的计算是如此复杂和繁复,对我来说简直是奇迹!
因为在量子力学中,当一个场改变时就会产生并辐射出粒子,所以也许任何人都会预料到上述结果。这个计算中始料未及的是,在坍缩的最后阶段,当恒星接近成为黑洞的条件时——也就是当它变成如此紧密,以至