出現(xiàn)在黑洞視界面的虛粒子對(duì)，為什么總是負(fù)質(zhì)量的掉進(jìn)去正質(zhì)量的逃逸掉呢？既然是隨機(jī)的量子漲落，誰進(jìn)誰出概率上難道不應(yīng)該一樣嗎？
上回說霍金輻射類似一種熱輻射，雖然時(shí)間極其漫長，但因?yàn)樗拇嬖?，終將有一天黑洞會(huì)把自己“蒸發(fā)”干凈。由于霍金輻射超乎想象的微弱，以至于黑洞損失的能量還沒從背景輻射中吸收的多，所以對(duì)黑洞來說現(xiàn)階段仍然是安全的。
關(guān)于霍金輻射怎么來的，最常見的解釋就是出現(xiàn)在黑洞視界面處的量子漲落。幾乎所有關(guān)于霍金輻射的科普都會(huì)采用這種描述，包括霍金本人。
這個(gè)描述雖然通俗易懂很好理解，但是也正因?yàn)橥ㄋ?，它并不是真?shí)的物理圖景。作為一種簡化后的描述，它勢必是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，這就導(dǎo)致不少人產(chǎn)生了開頭那樣的疑惑：量子漲落都是隨機(jī)的，為什么兩種粒子的結(jié)果卻不隨機(jī)？
在回答這個(gè)問題之前，我們先從更科學(xué)的角度重新認(rèn)識(shí)下霍金輻射究竟怎么來的。
上回說霍金將量子場論應(yīng)用到廣義相對(duì)論中，由此得到了霍金輻射。其實(shí)在同一時(shí)期，正擔(dān)任博士后的斯蒂芬?富林也在考慮彎曲時(shí)空的量子場論問題，并由此預(yù)言了一種現(xiàn)象，就是處于加速中的觀測者會(huì)看到一種外界看不到的黑體輻射。關(guān)于該現(xiàn)象的理論隨后被保羅?戴維斯和威廉?安魯進(jìn)一步完善，成了后來的“富林-戴維斯-安魯效應(yīng)”，也叫“安魯效應(yīng)（Unruh effect）”。
安魯效應(yīng)用最通俗的話來解釋就是：假如位于真空中的你攜帶一支非常精確的溫度計(jì)，當(dāng)排除掉所有能夠影響溫度計(jì)讀數(shù)的因素后（包括背景輻射什么的），此時(shí)溫度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)該無限趨近于零，對(duì)吧？但是當(dāng)你開始做加速運(yùn)動(dòng)后，此時(shí)溫度計(jì)的讀數(shù)將不再是零。也就是說：加速運(yùn)動(dòng)的你使得周圍的空間“變熱”了，而且變熱的程度和你的加速度成正比。注意：此時(shí)周圍空間產(chǎn)生的熱輻射只有加速運(yùn)動(dòng)中的你能看到，對(duì)外界觀察者來說這部分空間并沒有變熱。
這種匪夷所思的現(xiàn)象是否真的存在，目前還沒有定論，因?yàn)橐?yàn)證它極其困難。假如要把一個(gè)物體（比如說就一個(gè)原子），讓它產(chǎn)生足以被探測到的溫度，那么我們需要在不到 1 微秒（也就是百萬分之一秒）的時(shí)間內(nèi)把它加速到接近光速。要達(dá)到如此高的加速度，即使目前最強(qiáng)大的粒子加速器也沒這個(gè)能力。
那么我們先假設(shè)安魯效應(yīng)是存在的，那么霍金輻射就可以看做是一種由安魯效應(yīng)導(dǎo)致的現(xiàn)象。
對(duì)廣義相對(duì)論有所了解的應(yīng)該都知道“等效原理”，就是處于引力場中的觀測者和處于加速運(yùn)動(dòng)中的觀測者，兩者從效果上來說是無法區(qū)分的。
因此對(duì)于處于黑洞附近的觀測者來說，由于黑洞極強(qiáng)的引力，原本很難表現(xiàn)出的安魯效應(yīng)在這里得以展現(xiàn)。所以黑洞附近的觀測者會(huì)發(fā)現(xiàn)自己周圍的空間“變熱”了，真空從原本的“沒有溫度”變的“有了溫度”。有溫度自然就有熱輻射，而溫度又是由黑洞的引力場產(chǎn)生的，因此我們可以等效的認(rèn)為：黑洞正在向外輻射能量，也就是霍金輻射。
所以，霍金輻射中產(chǎn)生的粒子其實(shí)并不是什么正粒子、反粒子，更不是什么虛粒子，它們就是普通的光子。所謂的虛粒子只是在計(jì)算過程中用到的東西，最終反應(yīng)到現(xiàn)實(shí)中的只有真實(shí)存在的、具有正能量的實(shí)粒子。
這些輻射出的實(shí)粒子究竟是哪來的呢？顯然，它們并不是來自黑洞內(nèi)部，而是來自黑洞視界面外的空間，或者說真空中。這些粒子的產(chǎn)生是由于黑洞附近的真空和遠(yuǎn)處的真空不一致導(dǎo)致的，你可以理解為一種真空態(tài)在向遠(yuǎn)處傳播的過程中產(chǎn)生了某種激發(fā)，“逃逸”掉的正質(zhì)量粒子就是這么來的。
所以開篇那個(gè)“為什么只有負(fù)質(zhì)量粒子被吞掉，正質(zhì)量粒子逃逸掉”的問題，你把因果關(guān)系反過來就能理解了：因?yàn)樘右莸舻牧Ｗ釉谝暯缑嫱?，所以它才成了有正質(zhì)量的實(shí)粒子；而黑洞內(nèi)的那個(gè)粒子，你只能認(rèn)為它有負(fù)質(zhì)量，畢竟能量守恒嘛。至于那個(gè)負(fù)質(zhì)量粒子是個(gè)什么東西、長什么樣，這些都不重要，反正它已經(jīng)和我們這個(gè)世界沒有任何關(guān)系了，你就當(dāng)它只是個(gè)假想的存在就好。
現(xiàn)在再看量子漲落這種解釋是不是還挺形象的？只是這種變通后的通俗解釋忽略了很多細(xì)節(jié)，所以也帶來了一些問題：比如它會(huì)讓人誤以為這些輻射完全是從視界面發(fā)出的。其實(shí)呢，就像剛才說的，霍金輻射是黑洞周圍的空間產(chǎn)生的，那些粒子并不只出現(xiàn)在視界面上，實(shí)際上它們誕生于視界面外的很大一片區(qū)域，甚至可以延伸到 10~20 倍黑洞半徑的地方。由于離黑洞越遠(yuǎn)引力場越弱，輻射也從內(nèi)向外逐漸減弱。隨著能量被輻射慢慢帶走，這片空間的曲率也隨之慢慢降低，表現(xiàn)出來就是黑洞在慢慢變小。
總的來說，霍金輻射是種建立在數(shù)學(xué)模型上的理論，并沒有對(duì)應(yīng)的十分準(zhǔn)確且形象的物理圖像。如果非要給一個(gè)物理圖像的話，你也可以這么去想：如果黑洞當(dāng)初吞掉的是正質(zhì)量粒子，那么黑洞的質(zhì)量則會(huì)變大一點(diǎn)點(diǎn)，視界面會(huì)隨之向外擴(kuò)張一點(diǎn)點(diǎn)，這樣負(fù)質(zhì)量粒子的逃逸幾率就會(huì)下降一點(diǎn)點(diǎn)；反之，如果吞掉的是負(fù)質(zhì)量粒子，那么黑洞質(zhì)量則會(huì)減小一點(diǎn)點(diǎn)，視界面會(huì)隨之向內(nèi)收縮一點(diǎn)點(diǎn)，這樣正質(zhì)量粒子的逃逸幾率就會(huì)上升一點(diǎn)點(diǎn)。所以最終的效果就是：正質(zhì)量粒子逃逸的更多一些。怎么樣，這個(gè)解釋是不是夠形象了？
最后還有朋友提到：黑洞隨著霍金輻射會(huì)慢慢變小，這豈不和“只增不減”的黑洞面積定理矛盾了？
其實(shí)談不上矛盾。面積定理更多說的是黑洞的宏觀表現(xiàn)，比如兩個(gè)黑洞合并這種大尺度現(xiàn)象；而霍金輻射偏微觀，屬于量子層面的效應(yīng)。就好比廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，兩個(gè)理論都對(duì)，只是適用范圍不同。另外，面積定理主要是針對(duì)黑洞本身來說的，而霍金輻射則要考慮到包含黑洞以及黑洞附近空間的整個(gè)系統(tǒng)。兩種理論不在一個(gè)物理框架內(nèi)，所以談不上矛盾。
不過話說回來，無論是黑洞的表面積還是霍金輻射，它們都和同一個(gè)東西有關(guān)，就是黑洞的“溫度”，只是這里的“溫度”并不是傳統(tǒng)意義上的溫度。
溫度的概念其實(shí)很寬泛，有時(shí)候它并不一定代表粒子的動(dòng)能，比如統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的溫度就可以對(duì)應(yīng)其他自由度。如果不考慮熱平衡，你甚至可以搞一個(gè)“負(fù)溫度”出來。理論上擁有“負(fù)溫度”的物質(zhì)并不是“比絕對(duì)零度更冷”，反而是“比任何正溫度更熱”。只是負(fù)溫系統(tǒng)因?yàn)椴豢紤]熱平衡，不滿足熱力學(xué)第零定律，所以它的高低也就沒了意義。
本文來自微信公眾號(hào)：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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