第七章  黑洞不是这么黑的



    在1970年以前，我关于广义相对论的研究，主要集中于是否存在一个大爆炸奇
点。然而，同年11月我的女儿露西出生后不久的一个晚上，当我上床时，我开始思
考黑洞的问题。我的残废使得这个过程相当慢，所以我有许多时间。那时候还不存
在关于空间——时间的那一点是在黑洞之内还是在黑洞之外的准确定义。我已经和
罗杰·彭罗斯讨论过将黑洞定义为不能逃逸到远处的事件集合的想法，这也就是现
在被广泛接受的定义。它意味着，黑洞边界——即事件视界——是由刚好不能从黑
洞逃逸而永远只在边缘上徘徊的光线在空间——时间里的路径所形成的（图7.1）。
这有点像从警察那儿逃开，但是仅仅只能比警察快一步，而不能彻底地逃脱的情景！


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                                 图7.1

    我忽然意识到，这些光线的路径永远不可能互相靠近。如果它们靠近了，它们
最终就必须互相撞上。这正如和另一个从对面逃离警察的人相遇——你们俩都会被
抓住：（或者，在这种情形下落到黑洞中去。）但是，如果这些光线被黑洞所吞没，
那它们就不可能在黑洞的边界上呆过。所以在事件视界上的光线的路径必须永远是
互相平行运动或互相散开。另一种看到这一点的方法是，事件视界，亦即黑洞边界，
正像一个影子的边缘——一个即将临头的灾难的影子。如果你看到在远距离上的一
个源（譬如太阳）投下的影子，就能明白边缘上的光线不会互相靠近。

    如果从事件视界（亦即黑洞边界）来的光线永远不可能互相靠近，则事件视界
的面积可以保持不变或者随时间增大，但它永远不会减小——因为这意味着至少一
些在边界上的光线必须互相靠近。事实上，只要物质或辐射落到黑洞中去，这面积
就会增大（图7.2） ；或者如果两个黑洞碰撞并合并成一个单独的黑洞，这最后的
黑洞的事件视界面积就会大于或等于原先黑洞的事件视界面积的总和（图7.3） 。
事件视界面积的非减性质给黑洞的可能行为加上了重要的限制。我如此地为我的发
现所激动，以至于当夜没睡多少。第二天，我给罗杰·彭罗斯打电话，他同意我的
结果。我想，事实上他已经知道了这个面积的性质。然而，他是用稍微不同的黑洞
定义。他没有意识到，假定黑洞已终止于不随时间变化的状态，按照这两种定义，
黑洞的边界以及其面积都应是一样的。


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                              图7.2  图7.3

    人们非常容易从黑洞面积的不减行为联想起被叫做熵的物理量的行为。熵是测
量一个系统的无序的程度。常识告诉我们，如果不进行外加干涉，事物总是倾向于
增加它的无序度。（例如你只要停止保养房子，看会发生什么？）人们可以从无序
中创造出有序来（例如你可以油漆房子），但是必须消耗精力或能量，因而减少了
可得到的有序能量的数量。


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    热力学第二定律是这个观念的一个准确描述。它陈述道：一个孤立系统的熵总
是增加的，并且将两个系统连接在一起时，其合并系统的熵大于所有单独系统熵的
总和。譬如，考虑一盒气体分子的系统。分子可以认为是不断互相碰撞并不断从盒
子壁反弹回来的康乐球。气体的温度越高，分子运动得越快，这样它们撞击盒壁越
频繁越厉害，而且它们作用到壁上的向外的压力越大。假定初始时所有分子被一隔
板限制在盒子的左半部，如果接着将隔板除去，这些分子将散开并充满整个盒子。
在以后的某一时刻，所有这些分子偶尔会都呆在右半部或回到左半部，但占绝对优
势的可能性是在左右两半分子的数目大致相同。这种状态比原先分子在左半部分的
状态更加无序，所以人们说熵增加了。类似地，我们将一个充满氧分子的盒子和另
一个充满氮分子的盒子连在一起并除去中间的壁，则氧分子和氮分子就开始混合。
在后来的时刻，最可能的状态是两个盒子都充满了相当均匀的氧分子和氮分子的混
合物。这种状态比原先分开的两盒的初始状态更无序，即具有更大的熵。

    和其他科学定律，譬如牛顿引力定律相比，热力学定律的状况相当不同，例如，
它只是在绝大多数的而非所有情形下成立。在以后某一时刻，所有我们第一个盒子
中的气体分子在盒子的一半被发现的概率只有几万亿分之一，但它们可能发生。但
是，如果附近有一黑洞，看来存在一种非常容易的方法违反第二定律：只要将一些
具有大量熵的物体，譬如一盒气体扔进黑洞里。黑洞外物体的总熵就会减少。当然，
人们仍然可以说包括黑洞里的熵的总熵没有降低——但是由于没有办法看到黑洞里
面，我们不能知道里面物体的熵为多少。如果黑洞具有某一特征，黑洞外的观察者
因之可知道它的熵，并且只要携带熵的物体一落入黑洞，它就会增加，那将是很美
妙的。紧接着上述的黑洞面积定理的发现（即只要物体落入黑洞，它的事件视界面
积就会增加），普林斯顿一位名叫雅可布·柏肯斯坦的研究生提出，事件视界的面
积即是黑洞熵的量度。由于携带熵的物质落到黑洞中去，它的事件视界的面积就会
增加，这样黑洞外物质的熵和事件视界面积的和就永远不会降低。

    看来在大多数情况下，这个建议不违背热力学第二定律，然而还有一个致命的
瑕疵。如果一个黑洞具有熵，那它也应该有温度。但具有特定温度的物体必须以一
定的速率发出辐射。从日常经验知道：只要将火钳在火上烧至红热就能发出辐射。
但在低温下物体也发出辐射；通常情况下，只是因为其辐射相当小而没被注意到。
为了不违反热力学第二定律这辐射是必须的。所以黑洞必须发出辐射。但正是按照
其定义，黑洞被认为是不发出任何东西的物体，所以看来，不能认为黑洞的事件视
界的面积是它的熵。1972年，我和布兰登·卡特以及美国同事詹姆·巴丁合写了一
篇论文，在论文中我们指出，虽然在熵和事件视界的面积之间存在许多相似点，但
还存在着这个致命的困难。我必须承认，写此文章的部份动机是因为被柏肯斯坦所
激怒，我觉得他滥用了我的事件视界面积增加的发现。然而，最后发现，虽然是在
一种他肯定没有预料到的情形下，但他基本上还是正确的。

    1973年9月我访问莫斯科时， 和苏联两位最主要的专家雅可夫·捷尔多维奇和
亚历山大·斯塔拉宾斯基讨论黑洞问题。他们说服我，按照量子力学不确定性原理，
旋转黑洞应产生并辐射粒子。在物理学的基础上，我相信他们的论点，但是不喜欢
他们计算辐射所用的数学方法。 所以我着手设计一种更好的数学处理方法， 并于
1973年11月底在牛津的一次非正式讨论会上将其公布于众。那时我还没计算出实际
上辐射多少出来。我预料要去发现的正是捷尔多维奇和斯塔拉宾斯基所预言的从旋
转黑洞发出的辐射。然而，当我做了计算，使我既惊奇又恼火的是，我发现甚至非
旋转黑洞显然也以不变速率产生和发射粒子。起初我以为这种辐射表明我所用的一
种近似无效。我担心如果柏肯斯坦发现了这个情况，他就一定会用它去进一步支持
他关于黑洞熵的思想，而我仍然不喜欢这种思想。然而，我越仔细推敲，越觉得这
近似其实应该有效。但是，最后使我信服这辐射是真实的理由是，这辐射的粒子谱
刚好是一个热体辐射的谱，而且黑洞以刚好防止第二定律被违反的准确速率发射粒
子。此后，其他人用多种不同的形式重复了这个计算，他们所有人都证实了黑洞必
须如同一个热体那样发射粒子和辐射，其温度只依赖于黑洞的质量——质量越大则
温度越低。

    我们知道，任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，何以黑洞会发射
粒子呢？量子理论给我们的回答是，粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠黑洞
的事件视界的外面的“空”的空间来的！我们可以用以下的方法去理解它：我们以
为是“真空”的空间不能是完全空的，因为那就会意味着诸如引力场和电磁场的所
有场都必须刚好是零。然而场的数值和它的时间变化率如同不确定性原理所表明的
粒子位置和速度那样，对一个量知道得越准确，则对另一个量知道得越不准确。所
以在空的空间里场不可能严格地被固定为零，因为那样它就既有准确的值（零）又
有准确的变化率（也是零）。场的值必须有一定的最小的不准确量或量子起伏。人
们可以将这些起伏理解为光或引力的粒子对，它们在某一时刻同时出现、互相离开、
然后又互相靠近而且互相湮灭。这些粒子正如同携带太阳引力的虚粒子：它们不像
真的粒子那样能用粒子加速器直接探测到。然而，可以测量出它们的间接效应。例
如，测出绕着原子运动的电子能量发生的微小变化和理论预言是如此相一致，以至
于达到了令人惊讶的地步。不确定性原理还预言了类似的虚的物质粒子对的存在，
例如电子对和夸克对。然而在这种情形下，粒子对的一个成员为粒子而另一成员为
反粒子（光和引力的反粒子正是和粒子相同）。