—年，霍金证明了关于黑洞的表面积的定理——面积定理。按照面积定理，两个小黑洞可以合并成一个大黑洞，但一个大黑洞不能分裂成两个小黑洞。这是因为一个大黑洞的面积大于总质量与它相等的两个小黑洞的面积之和。
霍金的有关论文发表后，引起了美国一位研究生贝肯斯坦的注意。贝肯斯坦对这一结论十分惊奇。他想，物理学中还有没有类似的结论呢？他想起了热力学（即热学）中的一个重要概念——熵。难道黑洞的表面积是一种熵吗？可是霍金在面积定理的证明中并未用到热学的东西，面积怎么会是熵呢？
贝肯斯坦对自己的猜想既惊喜又怀疑。如果自己的猜测是对的，这可是个重要的物理思想。但是，这一猜测真的对吗？这时，他的导师惠勒支持了他。惠勒正是那位参加过美国氢弹研制，又证实了奥本海默预言的黑洞有可能形成的物理学家。他是20世纪60年代相对论领域的大师。
惠勒对贝肯斯坦说，假设你手拿一杯热水，这时有一个黑洞从你身边飘过，你把这杯水扔进黑洞，你就失去了这杯水的全部信息。然而，杯中的热水由大量水分子组成，分子的热运动造成熵，这杯水具有熵，把水扔进黑洞后，熵也从时空中消失了。由于得不到黑洞中熵的信息，自然界中的熵将会减少，这可是违背热力学第二定律的呀！
贝肯斯坦立刻想通了，水进入黑洞，使黑洞质量增加，表面积自然也增加了。我们从外部能够感知黑洞面积的增加。如果黑洞表面积就是黑洞熵的话，热水的熵虽然从自然界中消失了，但黑洞熵却增加了，自然界中的总熵没有减少。所以，把黑洞表面积看作黑洞熵，不仅是正确的，而且是必须的，否则将会违背热力学第二定律。
年，经过反复思考的贝肯斯坦勇敢地指出，黑洞具有熵，黑洞的表面积就是熵。而且他还在黑洞理论中发现了一个与温度相似的量，叫做黑洞的表面引力。粗略地说，黑洞表面引力就是位于黑洞表面的一个具有单位质量的质点，受到的万有引力。而且，贝肯斯坦把黑洞表面积和表面引力与黑洞的总质量、总电荷和总角动量放在一起写成了一个公式，此公式与热学中的第一定律表达式非常相似，公式中的“表面积”和“表面引力”分别出现在“熵”和“温度”的位置。
霍金一开始坚决拒绝贝肯斯坦的观点，他强调，自己的面积定理完全是用几何和广义相对论得出的，在几何和广义相对论中都没有“热”存在，怎么可能得出热学概念和热学定律呢？再说，如果黑洞有温度，就一定会有热辐射，就会有粒子以热辐射的形式从黑洞喷出。广义相对论已经证明，黑洞是一个只进不出的星体，怎么可能有粒子从中射出呢？
后来经过反复思考，他终于明白了，以前人们考虑的都是经典黑洞，没有考虑量子效应，如果考虑黑洞附近的量子效应，也许就会得出黑洞有辐射的结论。
经过认真的研究，霍金在年确认黑洞真的有热辐射，黑洞表面引力确实是温度，表面积确实是熵。他用弯曲时空量子场论的方法严格证明了上述结论。
霍金的物理思想是这样的：黑洞附近的真空涨落导致了粒子流从黑洞喷出，他严格证明了喷出的粒子流形成热辐射，其温度与黑洞的表面引力成正比。
霍金认为，黑洞附近也存在真空涨落（图1）。当真空涨落发生在黑洞附近时，可能出现3种情况。第1种情况与平直时空中类似，产生的虚粒子对会瞬间湮灭，不产生特别的效应。第2种情况是，产生的正反粒子对都落入黑洞，这种情况也不产生额外的效应。然而还有第3种情况，虚粒子对中负能的一个落入黑洞，正能的一个留在洞外，并飞向远方。例如负能的一个是正电子，它落入黑洞，正能的电子飞向远方。负能的正电子落入黑洞后，将顺着时间的方向飞向奇点，与奇点附近聚积的物质相碰，使那里的物质（也就是黑洞内部的物质）减少一个电子质量（注意此正电子质量为负，电荷为正），同时也减少一个电子电荷，即减少一个负电荷。远方的观测者看到一个电子向他飞来，同时看到黑洞减少了一个电子的质量和电荷。所以，远方观测者认为，黑洞射出了一个带负电的正能电子。
图1 黑洞附近的真空涨落
需要说明的是，不可能出现与第3种情况相反的情况，即虚粒子对中正能的一个落入黑洞，负能的一个飞向远方的情况。这是因为黑洞外部的时空不允许负能粒子长期存在，只有黑洞内部的时空才允许负能粒子长时间存在。所以，如果虚粒子对中正能的一个掉进了黑洞，负能的一个一定会跟着掉进去，这正是上面说的第2种情况。
霍金用弯曲时空量子场论严格证明了存在上述过程，而且射出的粒子的能量分布满足普朗克黑体辐射谱，而黑体谱正是热辐射的标志。这就是说，霍金证明了黑洞能产生热辐射，能通过热辐射的形式把物质从黑洞内部射出来。他证明了辐射温度恰为表面引力所示。
霍金的这一工作，确认了黑洞有温度和熵，黑洞的熵就是黑洞的表面积。这一证明极为重要，它确认了黑洞具有热性质。为了纪念霍金的这一成就，黑洞热辐射被命名为“霍金辐射”。
赵峥
年毕业于中国科技大学物理系，年于北京师范大学天文系获硕士学位，年于布鲁塞尔自由大学获博士学位。曾任北京师范大学研究生院副院长、物理系主任、中国引力与相对论天体物理学会理事长、中国物理学会理事。现为北京师范大学物理系教授，理论物理博士生导师、教育学博士生导师。
本文原载于《中国科技教育》年第2期“专栏”栏目，有删减。原文节选自上海教育出版社出版的《爱因斯坦与相对论——写在广义相对论创建周年之际》，有删改。
赞赏
长按北京治疗白癜风去哪家医院北京那家医院专治白癜风
转载请注明：http://www.hujingahj.com/aqxw/187.html
