爱华网
霍金与黑洞
陈在兴12号
史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日－），英国著名物理学家，被誉为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。肌肉萎缩性侧索硬化症患者，全身瘫痪，不能发音。
霍金的研究领域主要是宇宙论和黑洞，证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理，提出了黑洞蒸发现象和无边界的霍金宇宙模型，在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。霍金著有《时间简史》（1988年）、《果壳中的宇宙》等科普著作，均被翻译为多种语言出版，是全球最畅销的科普著作之一。
他因患“渐冻症”（肌肉萎缩性侧索硬化症卢伽雷氏症），禁锢在一把轮椅上达40年之久，他却身残志不残，使之化为优势，克服了残废之患而成为国际物理界的超新星。他不能写，甚至口齿不清，但他超越了相对论、量子力学、大爆炸等理论而迈入创造宇宙的“几何之舞”。尽管他那么无助地坐在轮椅上，他的思想却出色地遨游到广袤的时空，解开了宇宙之谜。
他被世人誉为“在世的最伟大的科学家”“另一个爱因斯坦”“不折不扣的生活强者”“敢于向命运挑战的人”“宇宙之王”。
霍金的黑洞理论概括起来就是一句话：黑洞不黑！与先前主流观点不同。霍金认为黑洞并不像人们认为的那样是完全黑暗，也就是对任何射线只吞不吐。他认为黑洞也会向外发射x射线、γ射线等辐射。这被命名为“霍金辐射”。但这仅是他的猜测。并没有任何观测结果支持.
一、霍金的故事
霍金1942年出生于英国牛津，出生当天正好是伽利略逝世300年忌日，父亲弗兰克是毕业于牛津大学的热带病专家，母亲伊莎贝尔1930年代于牛津研究哲学、政治和经济。
1942年1月，纳粹德军轰炸英格兰，伦敦遭受几乎夜夜不停的空袭。这迫使霍金一家搬离海格特的家园，迁到牛津避难。他们在霍金诞生后又回到了伦敦。童年时的霍金，学业成绩并不突出，但喜欢设计极为复杂的玩具，据说他曾做出一台简单的电脑。
1959年，17岁的霍金入读牛津大学的大学学院攻读自然科学，自称用了很少时间而得到一等荣誉学位，随后转读剑桥大学研究宇宙学，1963年被诊断患有肌肉萎缩性侧索硬化症，即运动神经病，当时医生诊断他只能活两年，他虽然活下来，但在往后数十年逐渐全身瘫痪并失去了说话能力。
霍金曾澄清自己当时并无酗酒，只感到自己有“悲剧性格”，并使自己沉醉于瓦格纳的音乐里。直至他遇上了首任妻子珍·王尔德（Jane Wilde），两人结婚后育有3名子女。23岁时，他取得了博士学位，留在剑桥大学进行研究工作。
就在霍金攻读博士学位前后，伦敦大学柏贝克学院教授罗杰·彭罗斯在1960年代初开始发展奇点理论，引起剑桥大学的研究小组注意，霍金听毕彭罗斯的研究后，回程途中向他的老师说：“如果把彭罗斯的奇点理论，运用到整个宇宙不知道会得到什么结果？”
1970年代初，霍金与彭罗斯合作发表论文，指出如果广义相对论是正确的，宇宙大爆炸前必然有奇点存在，成为首篇重要文章，随后成为少数认真看待黑洞的学者，他结合了量子力学及广义相对论，于1974年3月1日，霍金在《自然》提出黑洞发出一种能量，最终导致黑洞蒸发，该能量被命名为霍金辐射，引起全球物理学家重视。霍金的新发现，被认为是多年来理论物理学最重要的进展。该论文被称为“物理学史上最深刻的论文之一”。
这数年的研究，令他迅速蜚声学术界。1975至1976年间，先后获得伦敦皇家天文学会的埃丁顿勋章、梵蒂冈教皇科学学会十一世勋章、霍普金斯奖、美国丹尼欧海涅曼奖、马克斯赖克奖和英国皇家学会的休斯勋章，1978年再获阿尔伯特·爱因斯坦奖。自1979年他被聘用为剑桥大学应用数学和理论物理学院的卢卡斯教授，牛顿于1663年亦曾出任这荣誉职位。2006年11月底更获英国皇家学会颁授科普利奖章（Copley Medal），与爱因斯坦及达尔文齐名。
1983年，霍金和吉姆·和特勒（Jim Hurtle）进一步提出“宇宙无边界”（No Boundary Proposal），改变了当时科学家对宇宙的看法。每个人都有自己的成就，而这就是霍金的成就！
1988年，霍金的科普著作《时间简史：从大爆炸到黑洞》发行，从研究黑洞出发，探索了宇宙的起源和归宿，该书被译成40余种语言，出版逾1000余万册，但因书中内容极其艰深，在西方被戏称为“读不来的畅销书”（Unread Bestseller），有学者曾指这种书之所以仍可以如此畅销，是因为书本尝试解答过去只有神学才能触及的题材：时间有没有开端，空间有没有边界。2001年10月又一部作品《果壳中的宇宙》出版发行。该书是《时间简史》的姐妹篇，以相对简化的手法及大量图解，诉说宇宙起源。2006年，他在香港透露正与女儿合撰一套类似《哈里波特》，但主题是理论物理学而非魔法的小说:《勇闯宇宙三部曲》
霍金亦试图通过通俗演讲，将自己的思想与整个世界交流，除了常在英国及美国发表演说，他90年代曾两次到访日本，2002年8月曾到访杭州发表《膜的新奇世界》（Brane New World），2006年6月在香港科技大学发表《宇宙的起源》时，轰动一时，被戏称受到“摇滚巨星”级的接待。霍金的声望，令他多次获邀到外地演说，常获国家元首接见。
霍金曾指，大众会好奇一位残障人士，为何会想到这么多宇宙论，令他成了大众媒体的宠儿。事实上，他在“星际旅行”中的电视系列剧“下一代”（Star Trek: The NextGeneration）饰演过自己，与爱因斯坦及牛顿一起打桥牌；他亦曾在美国卡通片《辛普森一家》中演出，拯救剧中的女孩；他亦于2012年4月份在美国情景喜剧《生活大爆炸》第5季第21集中客串并饰演自己。
近乎全身瘫痪的霍金，除了四肢不能移动，1980年代他因肺炎而接受手术后，亦失去说话能力，但凭一张高科技轮椅，他仍可能发音合成语音、通电话，以及写下一条条艰深方程式。据报霍金正尝试一套新系统，让电脑直接阅读他脑内的讯息，做到“我脑写我口”。
他说话时，会先抽动右面颊肌肉，当眼镜上的红外线感应器收到讯息后，电脑就会自动打字。霍金每抽动一下，浮标即可选定目标。电脑由英特尔量身订造；语音系统于1980年代中由美国公司Words-Plus撰写，该公司为令霍金可以使用新的WindowsXP系统，特意为他重写整套程式。当霍金突然发笑，面颊肌肉抽动太大，屏幕便会出现一堆垃圾字。
二、黑洞不黑
黑洞（Blackhole）是根据现代的广义相对论所预言的，在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力坍缩而形成。黑洞的质量是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以至于任何物质和辐射都无法逃逸，就连光也逃逸不出来。由于类似热力学上完全不反射光线的黑体，故名为黑洞。在黑洞的周围，是一个无法侦测的事件视界，标志着无法返回的临界点。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。2011年12月，天文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程。
当大质量天体演化末期，其坍缩核心的质量超过太阳质量的3.2倍时，由于没有能够对抗引力的斥力，核心坍塌将无限进行下去，从而形成黑洞。（核心小于1.4个太阳质量的，会变成白矮星；介于两者之间的，形成中子星）。天文学的观测表明，在绝大部分星系的中心，包括银河系，都存在超大质量黑洞，它们的质量从数百万个直到数百亿个太阳。
爱因斯坦的广义相对论预测有黑洞解。其中最简单的球对称解为史瓦西度规。这是由卡尔·史瓦西于1915年发现的爱因斯坦方程的解。
根据史瓦西解，如果一个重力天体的半径小于一个特定值，天体将会发生坍塌，这个半径就叫做史瓦西半径。在这个半径以下的天体，其中的时空严重弯曲，从而使其发射的所有射线，无论是来自什么方向的，都将被吸引入这个天体的中心。因为相对论指出在任何惯性座标中，物质的速率都不可能超越真空中的光速，在史瓦西半径以下的天体的任何物质，都将塌陷于中心部分。一个有理论上无限密度组成的点组成重力奇点（gravitational singularity）。由于在史瓦西半径内连光线都不能逃出黑洞，所以一个典型的黑洞确实是绝对“黑”的。
恒星的时空扭曲改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星向内坍塌时，其质量导致的时空扭曲变得很强，光线向内偏折得也更强，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径（史瓦西半径）时，其质量导致时空扭曲变得如此之强，使得光向内偏折得这么也如此之强，以至于光线再也逃逸不出去。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或时空区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者，这样的区域称作黑洞。将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。
与别的天体相比，黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它，科学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空。根据广义相对论，时空会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短光程传播，但相对而言它已弯曲。在经过大密度的天体时，时空会弯曲，光也就偏离了原来的方向。
在地球上，由于引力场作用很小，时空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周围，时空的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。
更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的“侧面”、甚至“后背”，这是宇宙中的“引力透镜”效应。
1970 年中以前，科学家一直相信黑洞只会吸进物质，四周“漆黑”一片，当吸引更多物质时，黑洞的质量亦随之上升，霍金另一创见是指出，黑洞不是真的很黑（Black Holes aren't so black），而且黑洞内存在温度。有温度的物质自然会释放辐射，由于辐射是一种能量，黑洞最终因耗尽能量而消失，即所谓“黑洞蒸发论”。
霍金这次发现，拜量子力学所赐。过去科学家以为黑洞内的“真空状态”，代表内里没有任何物质，但霍金约 1974～1976 年指出，如果量子力学正确，人类从极度微观中观看宇宙的“真空”时，会发现一对对的光子不断产生，但能量在真空中无法保持固定值，令这些成相成对的光子不断摇晃，最终消灭。他相信，当黑洞质量越少，释放光子的速度越快，加速黑洞的消失。
这种从黑洞中释出的能量，被称为霍金辐射，但由于这种辐射极其微弱，科学界至今虽然公认它在理论上可行，仍未能从观察中发现它的存在。这亦说明，即使霍金辐射是真实存在，但其能量过弱，意味黑洞要经过极长时间后，才能耗尽能量，造成蒸发。
1976年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。
这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。近30年来，霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点。霍金曾表示，黑洞中量子运动是一种特殊情况，由于黑洞中的引力非常强烈，量子力学在此时已经不再适用了。但是霍金的这种说法并没有得到科学界众多持怀疑态度学者的信服。
如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。
根据量子场论，真空并不是绝对的空无一物，真空中会不断地着产生出正反粒子对，接着正反粒子对又在很短时间里湮灭。什么是正反粒子对呢？物理学上由狄拉克方程预言每种微观粒子都存在有它的“反粒子”。电子是带负电荷的，而人们在实验中也发现了正电子，正负电子就是一对正反粒子对。正反粒子一相遇就会发生湮灭，同归于尽。
霍金认为，在黑洞的周围，正反粒子对产生后有四种可能的结果：一、湮灭；二、一起落入黑洞；三、正粒子落入黑洞而反粒子逃脱出来；四、反粒子落入黑洞而正粒子逃脱出来。最后一种结果的可能性最大。反粒子带有负的能量，落入黑洞之后会使黑洞的能量减少，而逃脱出来的正粒子就好像是从黑洞向外发射出了能量。这就是黑洞的蒸发。黑洞的质量越大，蒸发得越慢。
由于这里说的是黑洞周围而不是内部的情况，所以黑洞蒸发并没有违背黑洞内的物质和能量不能逃出黑洞的基本原则。但蒸发的结果却会导致视界的能量减少，同时有能量从视界周围向外界发射！
霍金计算出：质量相当于太阳的黑洞，一年的蒸发量仅10-20焦耳，可维持寿命约1067年；质量为1012千克的小黑洞，每秒蒸发掉6×109焦耳的能量，其寿命约为100亿年，与恒星的寿命相当。
霍金还据此提出了质量为1015克量级的微型黑洞概念。
基本上，大质量的黑洞可存活比较久一些。一般恒星死亡产生的黑洞可以活1066年，而星系黑洞则可以活1090年，这样也可以说明为什么我们无法观测到宇宙诞生时所产生的微黑洞，因为它们已经蒸发殆尽。
参考资料：
1、史蒂芬·霍金——维基百科
2、斯蒂芬·威廉·霍金——百度百科
3、黑洞——维基百科
4、黑洞——百度百科
5、霍金辐射——维基百科
6、黑洞蒸发——百度百科
7、霍金：关于黑洞我可能弄错了——人民网2004年07月22日
