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亿倍。对宏观物体来说，由于其质量比起基本粒子来是如此巨大，因而位置和动量的测不准性都完全消失，宏观世界是“决定论的”（与目前人们的信念相反，这并不意味着其演化能被预测。许多非常复杂但仍完全是经典的即所谓“非线性”的物理现象．虽然是由决定论方程支配，却朝着完全不可预测的状态演化。这就是一个星期以上的天气预报总是那么不可靠的缘故，不论使用的计算机威力有多大）。
测不准原理也可以运用于其他置于化的物理量，例如能量，在一个很短的时间间隔里能量会有一定的涨落。经典地讲，从黑洞逃离是被禁止的，但是测不准原理允许粒子在一定时间间隔里从黑洞借助一定量的能量。如果黑洞是微型的，即尺度与基本粒子相当，能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离，其结果就是粒子逃出，黑洞损失能量。粒子并没有真的跳过视界“墙”，而是从一个由测不准原理短暂地打通的“隧道”穿过。
真空极化
黑洞蒸发还可以由所谓真空极化来作出一种等价的解释。
在量子力学里，真空并不意味着没有任何场、粒子或能量。量子真空是一种能量为最低的状态，它只是被称作“真空”而已，实际上能量严格为零的状态是不可能存在的。
时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空。由于质量与能量的等价性，真空中的能量涨落就可以导致基本粒子生成。1928年，泡尔·狄拉克（Paul Dirac）发现，每一种基本粒子都有一种对应的反粒子，二者质量相同，其他性质呈“镜像”对称。电子带负电荷，其反粒子，即正电子，质量相同而电荷相反。光子没有质量，它的反粒子也就是它自己。一个粒子与其反粒子相遇，就会相互湮灭，将质量转化为能量。因此，一个粒子和它的反粒子就表示相当于它静质量2倍的能量，反过来，一定量的能量也可以被看作是一对正二反粒子。于是，由于能量涨落而躁动的量子真空，就成了所谓“狄拉克海”，其中遍布着自发出现而又很快湮灭的正二叵粒子对。
一对正一负电子在10“’秒内自发地产生和消失。质量更大的粒子对也可以在真空中出现，但是按照测不准原理，它们只能存在短得多的时间。真空中产生的质子、区质子对平均存活的时间比电子一正电子对要短2000倍。
在不存在任何力的量子真空里，粒子对不断地产生和消灭，所以平均说来就没有任何粒子或反粒子真正产生或是消灭。这些粒子也不能被直接观测，所以被称为虚粒子。现在设想有一个力场，例如电场，作用在真空上。当一对正、负电子在真空中出现时，它们就会被电场沿相反方向分离。如果电场足够地强，它们就会分离得足够地远，以至于不能再相互碰撞和湮灭。这时的粒子就成为实粒子，这时的真空就被称为是极化的。
粒子由于真空极化而自发地产生，这不是一个理论幻想，而是已由实验证实的现象。考虑量子真空中的一个氢原子，它由一个带负电的电子和一个带正电的质子组成。在它周围，虚粒子对在不断地产生和消失，但是由质子和电子所产生的电场会使近邻区域的真空极化，于是带有相反电荷的粒子就会分离，在一个很短的瞬间形成一股很小的电流。这种电流会使电子在轨道上颤动，因而使氢原子发出的辐射频率出现微小的移动。这就是所谓“兰姆（Lain）移动”，1947年被实验探测到。
但是，真空是不容易被极化的，需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒子出现。而能量的形式则并不重要，可以是电能：当电容器极板间的电压超过一定限度时，真空极化，而电容器被击穿；也可以是热能：一块金属被稍稍加热就能发射光子（其反粒子就是自己），但要热到矿2开氏度才发射正一负电子对。
由于所有形式的能量都等价于质量，就可以合理地预期引力能也会被自发地转变成粒子。这正是霍金的发现的深刻意义。量子真空会被微型黑洞周围的强引力场所极化（图55）。在狄拉克海里，虚粒子对在不断地产生和消失，一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间，于是就有四种可能性：两个伙伴重新相遇并相互湮灭（过程1）；反粒子被黑洞捕获而正粒子在外部世界显形（过程H）；正粒子被捕获而反粒子逃出（过程m）；双双落入黑洞（过程W）。霍金计算了这些过程发生的几率，发现过程11最为常见。于是，能量的帐就是这样算的：由于有倾向地捕获反粒子，黑洞自发地损失能量，也就是损失质量。在外部观测者看来，黑洞在蒸发，即发出粒子气流。
黑洞与黑体
迄今已经考查了所有从黑洞提取能量的机制。黑洞的转动能和电能可以由经典的和量子的两种过程来取出。特别是，前面讲过的带电和转动黑洞由于超辐射过程的退激化，在微型黑洞的情况可以由真空极化来重新解释。黑洞总是喜欢从周围的虚粒子中捕获那些与自己的电荷或角动量反号的粒子，因此，即使一个真空中的微型黑洞在最初形成时有非零电荷和角动量，它总是倾向于自发地使自己中性化和减慢转动，从而尽快地达到史瓦西状态。可是，史瓦西黑洞也失去了其经典的“不可约性”，“死”质量会自动地蒸发。那么，黑洞辐射的精确特征是什么样的呢？
有趣的是，黑洞的辐射很像另一种有相同“颜色”的东西，就是黑体。黑体是一种理想的辐射源，处在由一定温度表征的完全热平衡状态。它发出所有波长的辐射，辐射谱只依赖于它的温度，而与其他性质无关。一只被加热到一定温度的完全不透明的炉子，上面只开有一个小孔留给观测者来接收其辐射，这只炉子就近似于黑体。事实上黑体是量子力学得以产生的历史根源之一。1899年，马克斯·普朗克正是在研究黑体的性质时提出了能量量子化的假设。
霍金的计算表明，黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。这个结果使得黑洞热力学完全自洽，因为它赋予了黑洞一个真实的、在整个视界上同一的、直接由表面引力来给定的温度。
对史瓦西黑洞来说，温度与质量成反比。质量与太阳一样的黑洞，其温度是微不足道的：开氏（即绝对零度以上）10”度。这并不奇怪，因为蒸发是一种量子现象，只对微型黑洞才特别有影响，而微型黑洞的温度是很高的。质量像小行星那么大的黑洞，具有“白热”熔炉的温度（开氏6000度），并辐射可见光。“典型”的微型黑洞质量为10”克，个儿像质子那么大，温度高到开氏10’‘度。这时的辐射就不再是集中于可见光段，而是由伽玛射线光子和大质量基本粒子混合组成。
越小的黑洞温度就越高，所以微型黑洞的发射就会越来越强，蒸发的最后阶段就表现为剧烈的爆发。一个10‘5克的黑洞要经过100亿年才完全蒸发掉，而它在最后几1秒里释放的能量相当于100万颗百万吨级的氢弹。
黑洞蒸发的最后结果尚不得而知。也许有人认为视界消失后将留下一个裸露的中心奇点，但是这种经典的看法很可能是错的。当黑洞半径缩减到普朗克长度（10”厘米）的量级时，时空几何自身的量子涨落变得重要起来，只有量子引力理论才能揭示微型黑洞的最后命运。如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉，应该说时空就会成为平直。量子引力是认识大爆炸和黑洞命运，即认识宇宙的开端和终结的必由之路。
引力不稳定性
一个通常的热力学系统处在一种较冷的介质中时会损失能量。它的温度降低而介质的温度升高，直到实现平衡为止，我们说这个系统有正比热。量子黑洞的行为则正相反，它失去能量时温度升高，反之亦然。如果周围介质的温度较高，黑洞就总是倾向于吸收能量，增大尺度，因而冷却，直至所有可得到的能量都已被吸收为止。反过来，如果介质温度较低，它就辐射，减小尺度，直至蒸发和消散掉自己所有的能量为止。这就是说，黑洞有着负比热，因而它根本上是不稳定的。
所有自引力系统，即其平衡只依赖于引力的系统，不论是量子系统与否，都是不稳定的。例如，在围绕地球轨道上的人造卫星会由于大气摩擦而损失引力能，因而沿螺旋线缓慢地朝地球下落。在这个过程中其速度和动能是增大的，所以它不能获得～个稳定轨道，最后只能坠落到地球上。
引力坍缩则是极端的例子。在自身重力作用下，一个恒星或恒星团这样的粒子系统辐射掉引力束缚能，不断收缩，温度变得越来越高。如果没有相反的力存在，奇点将不可避免地形成，达到平衡态是不可能的。微型黑洞的蒸发只不过是一种反方向上的引力坍缩，这可以由图55的时空图来证实。由于物质在离开视界，一个蒸发着的微型黑洞的“瞬时”状态就像一个白洞。因此，量子力学为黑洞提供了作为引力普遍特征的不稳定性。
更进一步，引力与热力学之间的联系可能是比黑洞广阔得多的自然领域的普遍特征。在黑洞的热力学转变过程中实际上起关键作用的是视界，而视界可以有着与黑洞毫不相干的意义。在狭义相对论的无引力平直时空里，一个具有恒定加速度的观测者不可能“经典地”获得来自一个遥远时空区域的信息，只是因为那个区域发出的辐射不能到达，对他来说那部分时空就隐藏在一个视界之后。如果考虑真空中的量子涨落，就可以得出加速（等效于一个均匀引力场）会使真空极化。如果那个观测者带有一个位于探测器，他将测量到一种黑体辐射形式的“鼻子噪声”，黑体的温度正比于他的加速度。在宇宙学里，膨胀宇宙模型也有视界，因而也有一个相联系的黑体温度（极低，不要与作为大爆炸遗迹的宇宙背景温度开氏27度相混淆）。
黑洞热力学已经把我们从蒸汽机带出很远了。
上帝耍人
基本粒子通过核力和电磁力而相互作用，这些作用服从已由实验验证的一定规则，正是这些规则使得科学家能够建立起一致的清楚的物理理论。规则中有一条是重子数守恒。简单说来，它是指在所有的基本相互作用中，必须保持粒子和反粒子的相称，所以一个光子（重子数为0）可以转变成一个中子（重子数为十l）和一个反中子（重子数为一1）组成的对，因为总的重子数保持为零。但是一个中子决不能转变成一对光子。另一个称为轻子的粒子家族，包括电子、U介子和中微于，也遵守一条相似的规则，这些粒子每个都有一个轻子数，在基本相互作用中总轻子数必须守恒。
粒子物理的这些基本规则被量子黑洞满不在乎地破坏了。我们已经看到黑洞在形成或吞噬物质时会“失去毛发”：所有关于粒子的信息在它们通过视界时全都丧失了。尤其是，一个由重于（例如大质量恒星中心的质子和中子）形成的黑洞并不记得它的重子数，它跟由反重子形成的黑洞完全一样，我们不可能看出有什么差异。且再耐心等等，在一定时间后黑洞会开始按照霍金机制而辐射，释放能量和摘。黑洞像黑体那样辐射这一事实，意味着它只能发射出相等数目的重子和反重子，或等数目的轻子和反轻子。也就是说，由蒸发的黑洞出来的净重子数总是为零。黑洞的蒸发破坏了重子数和轻子数守恒的规则。
这个惊人的性质表明，由黑洞蒸发所释放到外部介质的信息在通过视界时会“降级”。这种退化给离开黑洞的物质和辐射打上一个“热印记”，使得资料随机化。正因为此，霍金认为测不准原理在应用于黑洞时应被代之以“猜不准原理”。
爱因斯坦始终不喜欢量子力学，尽管他对这一理论的发展起过先锋作用。他不喜欢测不准原理包含的非决定论思想，并用这样一个短句来表达自己的反感：“上帝不掷骰子。”霍金的回答是：“上帝不只是掷骰子，还把骰子掷到我们看不到的地方！”第四篇：光的复归
世界的真正奥秘之所在，并不是不可见物，而是可见物。
——奥斯卡·王尔德（ Oscar wude）
第十五章 原初黑洞
团块
让我们返回到宇宙的极为遥远的过去，即150亿年以前。刚刚形成的宇宙并不是一种均匀平静的“汤”，由于微小涨落的激发，物质在自身引力作用下趋于聚集成团块。但是，像炉子里的蛋糕一样，宇宙由于大爆炸的力量而在膨胀。这种总体膨胀与局域凝聚之间的对立是当代物理学最大的问题之一：某些团块究竟是怎么发展成星系的呢？似乎宇宙的膨胀终究应该足以阻止局域的凝聚，以至于在宇宙的历史上，没有任何星系、恒星、行星以及处在这个链条终端的生命能够出现。
星系的存在“实验”地证明，原初宇宙中的某些涨落能够增长，并与整体膨胀相脱离。在这种凝聚过程中，密度反差，即团块相对于周围环境的质量超出，将无限制地增大。在初始阶段这种反差很小，即使团块总质量已有几百M时，密度的相对超出也只不过千分之一。而今天，对同样质量而言，密度反差已在ic万倍以上。引力干得多勤奋！（太阳型恒星与星际介质的密度反差还要大：10”比1。）
厨师都知道，在火上搅动一锅酱汁时，小团块比大的更容易形成。因此也有这样的可能，原初宇宙中那些大幅度的涨落使质量比星系小得多的物质首先凝聚成由引力控制的物体。正是通过引人这样一种机制，史蒂芬·霍金于1971年建议了原初黑洞的存在。
前面讲过，由恒星坍缩而形成的黑洞质量在3的量级，对原初黑洞没有这种制约，各种形状和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的微型黑洞。
有可能由天文观测来检验关于微型黑洞的思想吗？
碰撞中的世界
无疑地，最好是能在太阳系里找到微型黑洞。霍金提出，微型黑洞能被太阳捕获，并逐渐地朝日心下落，与人们的直觉相反，太阳不会被这个小黑洞吃掉，小黑洞可以在太阳里存在很长时间而没有任何可觉察的影响，只有在黑洞迅速增大的情况下太阳才有危险。而事实上，被黑洞吞噬的太阳物质在消失之前会发出很强的辐射，辐射压对外部物质的推斥作用将限制黑洞的增长速度。被吞噬的物质流与被释放的能量流相互调节，使得黑洞周围区域就像一个极其稳定的核反应堆。这个有着“黑心”的太阳将平静地继续着它的主序生涯，很难觉察到它的活动有什么改变。
这个独特的方案曾被用来解释地球上探测到的太阳中微子数与核反应理论预言的数目之间的差异，不过它后来被抛弃了，因为能更好地解释这种差异而又更常规性的机制占了上风（例如，中微子可能有非零质量，于是由假定零质量所计算的中微子流就会与观测值不一致）。
还要指出的是，微型黑洞同我们地球碰撞的可能性是很小的，还不及大陨石撞上地球的机会大。不过，小黑洞撞击已被作为俄罗斯通古斯卡那场著名灾祸的可能解释之一。1908年6月30日，西伯利亚的叶尼塞河流域遭到一个自天而降的物体的破坏，伴随爆炸而来的有光、声和力的现象。冲击波毁坏了周围的大片森林，杀死了数百只驯鹿，1000公里以外的人听到了声响，窗户被击碎，房屋被晃动，天空被照亮，有一段时间亮得在高加索都能半夜在户外看书。按照地震仪的记录，爆炸威力相当于1500颗扔在广岛的原子弹。但是，20年后才对爆炸的地方作科学考察。15公里以内的树木被烧焦，30公里内的树木被推倒，全都由爆炸中心向外倒伏，但是并没有标记撞击点的陨石坑。
对这场灾变的起因已经有了许许多多的说法，有的平庸，有的新奇。目前普遍接受的一种是归于一颗流星，或者更准确地说是一块管星的碎片，一块由冰和石头组成的数百米大小的碎片，逆着地球转动的方向以50公里／秒的速度落到地面上，就会产生在通古斯卡所见到的效果。在大气中的蒸发以及大量粒子的注人使得没有一个坑或别的大痕迹留下。最好的证据来自对在当地收集的碎石的化学分析，那些碎石主要由硅和镍铁块组成，与管星的成分极为一致。
然而，这种证据并未能阻止两位美国天体物理学家提出一个根本不同的解释，即一个微型黑洞穿过了地球，就像一把热刀穿透了黄油，又从地球的与通古斯卡相反的一侧钻出来，而那一侧却碰上是南大西洋的中央，没有树或是窗户留下见证来告诉人们发生了什么。
更深入的分析表明，黑洞在地球中穿过会导致地震波，但是没有观测到；黑洞钻出来时还会伴随有大气冲击波，这也没有观测到。看来这种漂泊的微型黑洞的解释确令人难以置信（不过还赶不上反物质块或是遇难的外星人飞船之类的解释那么离奇），只不过是作为一种宣传材料而已。黑洞专家们是不会从这种宣传中获益的，如果黑洞随处可以见到，那么反而显得不可信了。
短暂的生涯
由霍金依据量子力学所揭示的微型黑洞的基本特征，即以黑体辐射形式的质量蒸发，看来才是探测这类黑洞的主要希望之所在。
密度涨落理论表明，低质量黑洞只能在宇宙早期形成，而黑洞的质量越小，蒸发得就越快（黑洞的寿命与其质量的立方成正比）。质量为1吨的黑洞会在10’‘秒内蒸发光，而质量为100万吨的黑洞则能存在10年。只有那些寿命比宇宙年龄（150亿年）长的微型黑洞才能维持到今天，这些黑洞的初始质量最少得有10亿吨，这大约是一座山的质量，而黑洞半径只有10－‘’厘米，同质子一样。
质量更大的黑洞的蒸发时间就比宇宙年龄要长得多，例如，IM黑洞的寿命大约是10“年。这个巨大的数字并不出人意外，因为蒸发是一种量于现象，只发生在与基本粒子直径相当的极小尺度上。因此，对于那些质量比一座山大的黑洞来说，蒸发是完全无关紧要的，无论这些黑洞是在宇宙早期形成的还是后来在超新星爆发时形成的。实际上，大黑