第三章
在经典意义上辐射不能再离开黑洞——存在着残余的辐射,而这残余辐射具有黑洞温度表征的热谱。这温度正是伯肯斯坦原先引进的。这是关键性发现。
我记得1974年访剑桥时,遇到马丁?雷斯,他激动得颤抖。[4][4]马丁?雷斯是史蒂芬?霍金的合作者,现在剑桥的天文研究所任职。
他说:“你听说史蒂芬的发现了吗?一切都不同了,一切都改变了!”
“你说什么?”我问道。雷斯向我解释说,由于量子力学效应,黑洞像热体一样辐射,所以不是黑的。这就引进了热力学、广义相对论和量子力学的新统一,这会改变我们对物理的理解。
后来由我协助召开在牛津附近卢瑟福实验室的一次会议,史蒂芬来参加了。大家都很激动,我记得有人站起来说:“你一定弄错了,史蒂芬,我一点也不相信!”
约翰?泰勒[5]我曾说过,我并不满意用负能量粒子产生来解释。不过我觉得这是科学争论的一部分。你必须妥协。我为自己能参与其中而感到高兴。这才是其中乐趣。你知道,如果所有人都坐下来附和说:“啊,真不错”,而在大家头脑中仍有悬疑的问题,那不是对科学负责的态度。但是除了那一次向他质疑之外,我并非反对派。[5]约翰?泰勒是最初提出反对意见的科学家。
史蒂芬?霍金我仍然不能完全相信它。直到我找到了黑洞能够发生辐射的机制后,才使自己信服。根据量子力学,空间充满了虚的粒子和反粒子,它们经常成对产生、分开,然后聚到一起并相互湮灭。黑洞存在时,一对虚粒子中的一个会掉到黑洞中去,而另一个由于失去与之湮灭的伙伴而留存下来。被遗弃的粒子就是黑洞发射的辐射。
量子力学允许粒子逃离黑洞,这是爱因斯坦的广义相对论不能允许的事情[6]。[6]在量子力学中虚粒子是永远无法直接探测得到的,但是它的存在具有可测量的效应。
每一类型的物质粒子都有一种对应的反粒子。当一个粒子和它的反粒子碰撞时,它们会湮灭,只留下能量。
由于量子力学中的机率和不确定性,爱因斯坦从未接受过它。他说道:“上帝不玩骰子。”看来爱因斯坦犯了双重错误。黑洞的量子效应暗示,不仅上帝玩骰子,而且它有时候把骰子丢到看不见的地方去。
邓尼斯?西阿玛雅可夫?捷尔多维奇,这位苏联著名的天体物理学家和宇宙学家也拒绝相信它。
可是花了几个月的时间,人们就清楚了,这种论证是正确的。这个发现除了惊人地出乎预料的性质之外,它的原始计算是相当复杂的,其效应是由正在发生的更大现象来的小的残余效应。正如在物理学中经常发生的,一旦人们得到这种观念,他们就澄清讨论,使之更为清晰。几个月后所有人都相信它是正确的,它根本改变了我们对物理学的理解。
霍金效应描述的黑洞辐射还未被观测到,但这并非霍金的过错。这是因为对于自然产生的黑洞,如可能在天鹅座X-1[7]中的那一个,这个效应太弱以至于观测不到。[7]天鹅座X-1是离地球六千光年远的一个星座。许多科学家相信它包含一个黑洞。在另一个只能在南半球看得见的星系——大麦哲伦星云中,人们相信存在另一个黑洞。
他曾经努力寻找观测效应,因为他在一系列有趣的工作中提议,也许存在低质量的太初黑洞[8]。[8]太初黑洞是当宇宙非常年轻时产生的黑洞。
你瞧,黑洞的质量越小,它的温度就越高。当然,黑洞越热,则它释出的辐射功率就越大。而且,随着它的辐射并且质量损失时,它变得更热,辐射得更快。这样,最终的结局是一次剧烈的爆炸。事实上,霍金计算出,除了宇宙本身的大爆炸起源以外,这爆炸比科学中任何已知爆炸都更激烈。