霍金去世的消息真是突然，我們因此制作了這期節(jié)目——然而我們并不打算緬懷他的任何生平事跡。

因?yàn)檫@位在求知道路上頑強(qiáng)探索的戰(zhàn)士是繼愛因斯坦之后的相對(duì)論集大成者，霍金在黑洞研究中做出的巨大貢獻(xiàn)，所以在一切悲悼的泛泛之談以外，本期節(jié)目將就“霍金輻射”，霍金最著名的理論研究成果，用“知識(shí)”這種永恒的東西，讓霍金留給我們的信息持存下去。

－文字稿－

霍金去世了，我們又損失了一個(gè)偉大的智者。但他的遺產(chǎn)將久遠(yuǎn)地流傳下去，如果要給這些信息加上一個(gè)期限，從物理學(xué)上講，那將是永遠(yuǎn)——黑洞也無法吞噬的永遠(yuǎn)。

如果讓人類根據(jù)一切已知編寫《宇宙憲法》，熱力學(xué)第二定律一定會(huì)出現(xiàn)在第一頁：

任何封閉的系統(tǒng)，都會(huì)越來越混亂無序——如果用“熵”這個(gè)概念描述系統(tǒng)的混亂程度，那么任何封閉系統(tǒng)的熵都會(huì)永恒增加，這種宏觀上的不可逆性標(biāo)定了宇宙的時(shí)間之矢。

然而廣義相對(duì)論問世以后，一個(gè)尷尬的佯謬就漸漸浮出了水面：1939年，奧本海默根據(jù)愛因斯坦的方程，提出足夠巨大的恒星將在死亡時(shí)。坍縮成引力巨大，連光都無法逃逸的殘骸，使得物質(zhì)無窮堆積，時(shí)空無限彎曲，超出所有人的理解。

1969年，約翰·惠勒將這種未知的存在稱為“黑洞”，并提出了黑洞只有質(zhì)量、電荷量和角動(dòng)量三個(gè)守恒量，其余一切物理量都被巨大的引力“撕碎”在視界之內(nèi)了——這個(gè)假說在1973年被霍金等人證明，就是著名的“黑洞無毛定理”。

那么不妨設(shè)想：如果將熵很大的物質(zhì)，比如一整顆熾熱的恒星，囫圇扔進(jìn)黑洞中去，也將被洗刷得這樣干凈——那么其中的熵哪里去了？

如果要堅(jiān)守?zé)崃W(xué)第二定律，就必須承認(rèn)黑洞也有熵，有熵就有溫度。

有溫度就有輻射——然而黑洞連光都不會(huì)放過，又怎么輻射能量呢？這真是一個(gè)尷尬的難題

然而才到第二年，已經(jīng)失去語言能力的霍金又給出了黑洞向外輻射能量的方式，就是更著名的“霍金輻射”了——我們要想理解這種輻射，還需要一些量子論的鋪墊。

在經(jīng)典物理中，宇宙中的物質(zhì)和能量不會(huì)憑空出現(xiàn)，也不憑空消失。

比如電子與正電子相遇會(huì)成對(duì)湮滅，轉(zhuǎn)化成光子，光子攜帶的能量將等于兩個(gè)電子的質(zhì)量，而足夠高能的光子也可以突然分裂成一對(duì)電子和正電子——但在微觀的量子世界，這事兒可就說不準(zhǔn)了，在測(cè)不準(zhǔn)原理的袒護(hù)下：真空中可以憑空出現(xiàn)一對(duì)正反粒子，隨后又在極短的時(shí)間內(nèi)相遇湮滅——整個(gè)過程只需滿足這對(duì)粒子的質(zhì)能與持續(xù)時(shí)間的乘積小于普朗克常數(shù)，這對(duì)粒子就會(huì)因?yàn)椤皽y(cè)不準(zhǔn)”而無法觀測(cè)，也就不會(huì)違背質(zhì)能守恒定律——所以我們叫它們虛粒子。

虛粒子意味著真空并不空，而如同沸騰的水面被不斷涌現(xiàn)的虛粒子充滿著——雖然聽上去非常怪誕，然而當(dāng)代物理就是用虛粒子模型完美解釋了各種相互作用。

然而霍金輻射指出，在黑洞的視界附近，這些真空中涌現(xiàn)出來的虛粒子突然有了實(shí)化的機(jī)會(huì)：這一正一反兩個(gè)粒子存續(xù)地時(shí)間雖然很短，但也有可能因?yàn)榭拷诙匆暯缍鴫嬄溥M(jìn)去——特別的，這種墜落不必同時(shí)發(fā)生，甚至另一個(gè)粒子也可能落入視界，因?yàn)樗呀?jīng)沒有湮滅的伙伴，可以久遠(yuǎn)地留存在宇宙中了，那么當(dāng)它離開黑洞的時(shí)候，就表現(xiàn)為黑洞發(fā)出了輻射，也就是霍金輻射。

進(jìn)一步的，一對(duì)虛粒子中的某一個(gè)變成了實(shí)粒子，它們獲得的質(zhì)量就來自黑洞——所以在長(zhǎng)遠(yuǎn)看來，所有饑餓的黑洞都會(huì)因?yàn)榛艚疠椛湔舭l(fā)消失——正如霍金在2016年闡述的，“只有灰洞，沒有黑洞”。

霍金輻射不但解決了“黑洞熵”的難題，還帶來了另一種奇妙的宇宙觀：熵在描述物體狀態(tài)的時(shí)候蘊(yùn)含了物體的信息，那么當(dāng)物體墜入黑洞的時(shí)候，這些信息就留在了黑洞的視界上——這意味著視界內(nèi)部這個(gè)三維空間的全部信息都編碼在了視界表面這個(gè)二維平面上，墜入黑洞并不意味毀滅。

于是一種基于弦論的全系宇宙論就提出：我們這個(gè)世界是另一個(gè)“高維”世界的全息投影，我們?nèi)粘ｓw驗(yàn)的三維空間是一種宏觀低能的描述，甚至可以想象成我們就生活在一個(gè)黑洞內(nèi)部——這真是一件觸發(fā)幻想的事情。

再見了，斯蒂芬·霍金，信息不滅！

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