黑洞蒸發理論

在1974年，史蒂芬。霍金髮現了黑洞的蒸發現象，從而改變了黑洞的經典圖像：黑洞已不是完全“黑”的，也不單純是個“洞”，它既可以通過吸積物質使質量增加，也可以向外發射物質，而使質量減小。

在量子力學里，真空並不意味著沒有任何場，粒子或能量。量子真空是一種能量為最低的狀態，它只是被稱作“真空”而已，實際上能量為零的狀態是不存在的。

時間和能量的測不準原理解釋了為什麼真空不空。由於質量與能量的等價性，真空中的能量漲落就可以導致基本粒子的生成。1928年，保羅。狄拉克發現，每一種基本粒子都有一種對應的反粒子，二者質量相同，其他性質呈“鏡像”對稱。兩者相遇，就會相互湮滅，將質量轉化為能量。因此，一個粒子和它的反粒子就表示相當於它的靜質量的兩倍的能量，反過來，一定的能量也可以被看作是一對正反粒子。於是，由於能量漲落而躁動的量子真空就成了所謂“狄拉克海”，其中遍布著自發出現而又很快湮沒的正反粒子對。在不存在任何力的量子真空里，粒子對不斷地產生和消滅，所以平均而言，就沒有任何粒子或反粒子真正產生或是消滅。由於這些粒子瞬時存在而不能被直接觀測到，所以被稱為虛粒子（可以是虛光子，虛電子，虛質子等）。其實虛粒子和實粒子並沒有本質的區別，只是虛粒子沒有足夠的能量，存在的時間極短。如果它能從外界獲得能量，就可以存在足夠長的時間而升格為實粒子。設想，有一電場，作用在真空上。當一對正負電子在正空中出現時，它們就會被電場沿相反的方向分離。如果電場足夠強，它們就會分離的足夠遠，以致於不能再相互碰撞和湮滅。這時的虛粒子就成為實粒子，這時的真空就被稱為是極化的。

但徠是，真空是不容易被極化的，需要有很高的能量密度才能使虛粒子對分離和實粒子出現。而產生極化所需的能量的形式並不重要，它們可以是電能，磁能，熱能，引力能等。

不確定性原理告訴我們，真空中到處存在著虛粒子的海洋。這種緊張的量子行為的虛粒子海洋同樣也出現在黑洞事件視界周圍的空間區域。

不確定性定理說明，如果一個粒子的位置被確定，它的速度就會變得不確定。如果一個粒子落入黑洞，它的位置已經被確定（在奇點），所以它的速度就不確定，甚至超過光速而逃出視界。

由於所有形式的能量都等價於質量，所以我們當然會想到引力能也會被自發地轉變成粒子。霍金髮現，對於微黑洞來說，量子真空會被它周圍的強引力場所極化（這一點是至關重要的），在狄拉克海里，虛粒子對在不斷產生和消失，一個粒子和它的反粒子會分離一段很短的時間，於是就有四種可能性：兩個夥伴重新相遇，並相互湮滅（過程I）；反粒子被黑洞捕獲，而正粒子在外部世界顯形（過程II）；正粒子被捕獲而反粒子逃出（過程III）；雙雙落入黑洞（過程IV）。霍金計算了這些過程發生的幾率，結果發現過程II最為常見。由於有傾向地捕獲反粒子，黑洞自發地損失了能量，也就是損失了質量。由於微黑洞的尺度與基本粒子相當，能量的“躍遷”可能足以使粒子運動一段大於視界半徑的距離，其結果就是粒子逃出，在外部觀測者看來，黑洞在蒸發，即發出粒子流。其實粒子並沒有真的跳過視界“牆”，而是從一個由不確定性原理短暫地打通的“遂道”穿過。這樣的過程反反覆復在黑洞視界的周圍發生，從而，形成一股不斷的輻射流，黑洞發光了。

霍金的計算表明，黑洞的蒸發輻射具有黑體的所有特徵。它賦予了黑洞一個真實的，在整個視界上同一的，直接由視界處的引力場強度來決定的溫度。

對史瓦西黑洞來說，溫度與質量成反比。質量與太陽一樣的黑洞，其溫度是微不足道的，開氏（即絕對零度以上）十的負七次方度。不是零，但小的可憐；黑洞並不是完全的黑，但一點也不亮。很遺憾，這樣低溫的輻射實在太微弱了，是不可能在實驗室中探測出來的。

霍金的計算還有一個重要發現：黑洞的質量越小，溫度越高，輻射也越強。顯然，蒸發只有對微型黑洞來說才有特別的影響，而微型黑洞的溫度是很高的。在黑洞中，質量越大的黑洞，溫度越低，蒸發的越慢；質量越小的黑洞，溫度越高，蒸發的也越快。

對於微黑洞來說，溫度非常之高，可達千萬開甚至上億開，隨著蒸發的加劇，質量丟失的很快，溫度會迅猛地上升，隨著溫度上升的加快，質量丟失的就更厲害，這中過程會以瘋狂的形式演變，最終黑洞被摧毀，以猛烈的爆發而告終，所有粒子都得到了大赦（對巨型黑洞來說發射粒子的過程十分緩慢，相當於蒸發；而對微黑洞來說，發射粒子的過程十分迅猛，相當於爆發）。

對於星系中心的巨型黑洞來說，其蒸發的過程將遠遠超出宇宙的年齡，假定宇宙有足夠長的壽命，並且不回縮，那麼這類黑洞最終也還是要蒸發掉。不過這類黑洞目前還是吸積遠大於蒸發，以吸積為主。只有當宇宙後來的溫度降到比這類黑洞的溫度還低時，它們才開始以蒸發為主。然而這個過程太慢長了，等到它們開始蒸發，也將遠遠超出宇宙的年齡，而它們要蒸發完畢，大約要十的九十九次方年！

黑洞蒸發的最後結果目前還不得而知。也許有人會認為視界消失後會留下一個裸露的中心奇點，可這是經典的看法，可能是錯誤的。如果它由輻射自己的質量而完全蒸發掉，應該說時空就會成為平直。（詳見霍金輻射）

霍金指出，由於找不到黑洞的邊界，因此黑洞是“不存在”的，黑洞的邊界又稱“視界”。經典黑洞理論認為，黑洞外的物質和輻射可以通過視界進入黑洞內部，而黑洞內的任何物質和輻射均不能穿出視界。

霍金的最新“灰洞”理論認為，物質和能量在被黑洞困住一段時間以後，又會被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認，自己最初有關視界的認識是有缺陷的，光線其實是可以穿越視界的。當光線逃離黑洞核心時，它的運動就像人在跑步機上奔跑一樣，慢慢地通過向外輻射而收縮。

霍金稱，黑洞從來都不會完全關閉自身，它們在一段漫長的時間裡逐步向外界輻射出越來越多的熱量，隨後黑洞將最終開放自己並釋放出其中包含的物質信息。

他1月24日在《自然》報道發表的一篇論文中承認，黑洞其實是“不存在”的，不過“灰洞”的確存在。霍金提出“灰洞”理論是為了解決“防火牆悖論”問題而在“反德西特時空”中的模擬設定，並非黑洞真不存在，只是為了化解廣義相對論與量子物理在黑洞中的矛盾。