Science 版 (精华区)

发信人: hunter (城市猎人), 信区: Science
标  题: 霍金辐射 
发信站: 紫 丁 香 (Sat Jan 15 10:28:20 2000), 转信

霍金辐射
　　1975年霍金（Hawking）发表了一个令人震惊的结论：如果将量子理论加入进来，黑
洞好象不是十分黑！相反，它们会轻微地发出“霍金辐射”之光。（该辐射包括）有光
子、中子和少量的各种有质量的粒子。这从未被观测到过。因为我们有证据认为是黑洞
的天体都被大量正坠入其中的热气团所包围。这些热气的辐射会完全淹没这种微弱的（
辐射）效应。如果一个黑洞的质量是一个M (一个太阳质量，常作为度量天体质量的单位
，译者)，霍金预言它将只能发出6×10-8开尔文的“体温”。所以只有很小的黑洞的辐
射才会比较显著。特别地，这种效应在理论上是很有趣的，致力于此的学者们已经花费
了大量的经历去理解量子理论如何与引力结合在一起，其后果是什么。最富戏剧性的是
：一个孤立的、不吸收任何物质的黑洞会慢慢辐射其质量；开始很慢，但越来越快。最
后，在其灭亡的一瞬间将象原子弹爆炸那样放出耀眼的光芒。然而一个质量为一个M的黑
洞的全部寿命为1071M 3秒。所以别傻等大块头变成鬼魂了（人们已经开始寻找在宇宙大
爆炸中生成的小黑洞的灭亡，但至今未果）。
　　这是怎么回事？好，你将发现对于霍金辐射的问题，在许多“科普”读物中是这样
解释的：
　　同在任何其他地方一样，虚粒子在黑洞视界边缘不断产生。通常，它们以粒子－反
粒子对的形式形成并迅速彼此湮灭。但在黑洞视界附近，有可能在湮灭发生前其中一个
就掉入了黑洞。这样另一个就以霍金辐射的形式逃逸出来。
　　事实上这种论证并不清晰地与实际计算相符。至少我从未看到过标准的计算如何变
形以解释关于虚粒子溜过视界。对于此问题，我最后要强调的是没有人求出过一个“狭
义”的描述此类在视界边上发生的霍金辐射问题的解释。如果有任何专家可以对此进行
指正，我将乐于接受。注意：如果这种启发式的问答变得精确起来，我不会感到惊讶。
但我不认为能从通常的计算中求出答案。
　　通常的计算中涉及巴格寥夫（Bogoliubov）变形。其想法是这样的：当你量子化电
磁场的时候，你必须采用经典物理方程（麦克斯韦Maxwell方程）并将其视为正频和负频
两部分的线性相加。粗略地讲，一个给出粒子，另一个给出反粒子；更精确地讲，这种
分割暗示着对量子真空理论的定义。换言之，如果你用一种方法分割，而我用另一种方
法分割，则我们关于真空状态的观点将不符！
　　对此不必过于惊惶失措，这只是令人有些心烦。毕竟，真空可被认为是能量最低状
态。如果我们采用根本不同的坐标系，我们对时间的观念将会完全不同，由此会有完全
不同的能量观──因为能量在量子理论中被定义为参数H，时间的开方就以exp(-itH)给
出。所以从一方面讲，我们有充分理由认为，在经典场论中，我们依据不同的正、负频
划分得到不同的解──时间依赖于exp(-i omega t)的线性组合解，被称为正/负频依赖
于符号omega──当然，这种选择依赖于如何选择时间坐标t。另一方面，可以肯定我们
会有不同的关于最低能量状态的观点。
　　现在我们回到作为相对论一种特殊情况的明可夫斯基（Minkowski）平坦的时空。这
里有一丛按洛伦兹（Lorentz）变形区分开的“惯性框架”，它们给出了不同的时间坐标
系。但你可以发现，不同的坐标系给出不同的正负频的麦克斯韦方程解的概念之间的区
别并不太糟。人们也不会因这些坐标系的不同产生对最低能量态的歧义。所以所有的惯
性系中的观察者对于什么是粒子、什么是反粒子和什么是真空的意见是一致的。
　　但在弯曲的时空中不会有这种“最佳”的坐标系。因此即使是十分合理选择的不同
坐标系也会在粒子和反粒子或什么是真空方面产生不一致。这些不一致并不意味着“任
何东西都是相对（论）的”，因为存在完善的用以在不同坐标系系统的描述间进行“翻
译”的公式，它们就是巴格寥夫变化公式。
　　所以如果黑洞存在的话*一方面，我们可以把麦克斯韦方程的解用最清晰的方式分割
成正频，这种分割即使是处于遥远未来并且远离黑洞的人也能够做到*另一方面，我们可
以把麦克斯韦方程的解用最清晰的方式分割成正频，这种分割即使是处于（恒星）坍缩
成黑洞（一事）发生之前的遥远过去的人也能够做到。
　　以上就是我给出的最接近普通计算的启发式的解释。关于在遥远未来和远离黑洞的
人看不到黑洞里有什么。这个事实，还有其他一些事情要说：他对于这种状态的信息并
不完全，他看到了一种带熵的状态，实际上，一种热状态（此处我假设黑洞不是永恒的
，因此返回未来的人没有黑洞可供讨论。显然霍金的原始计算正是处理这种情况。但此
后的人们为简化计算通过假设黑洞的永恒性而“扩展”了他的解释。这就是讨论此类问
题的人们所说的：我只见过掺水的版本！）
　　实际上，当你对真空作巴格寥夫变形时，你得到一个有粒子和反粒子的状态。这可
能就是数学和启发性解释的联系。很可能作出这种通常的启发性解释的人对于此种联系
理解得比我更好。
（资料来源：兰天主页/黑洞FAQ）

--
※ 来源:．紫 丁 香 bbs.hit.edu.cn．[FROM: 202.118.244.244]