圖注：英國物理學(xué)家與宇宙學(xué)家史蒂芬·霍金
1915年阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對論，用一個統(tǒng)一的時空概念取代了古老的牛頓世界觀。在愛因斯坦方程的一邊，宇宙中的物質(zhì)和能量告訴時空如何彎曲；另一邊，時空的彎曲結(jié)構(gòu)告訴物質(zhì)和能量如何移動。這些方程的復(fù)雜性使得 解很難找到，因為愛因斯坦自己也只找到了兩個：一個是完全空的空間，一個是在弱場極限下的單個質(zhì)量。
圖注：黑洞事件視界是一個球形或球狀區(qū)域，從中不會有任何物體甚至光線不能逃脫。但在事件視界之外，黑洞被預(yù)測會發(fā)出輻射——稱為霍金輻射�；艚�1974年的研究首次證明這一點，這可以說是他最大的科學(xué)成就。圖片信息及版權(quán)：NASA; J?rn Wilms (Tübingen) et al.; ESA
第二年卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）發(fā)現(xiàn)了第一個有趣的解決方案：即在所有的空間上都有一個點質(zhì)量。我們現(xiàn)在認(rèn)識到這是一個黑洞的解決方案，即使在今天也是為數(shù)不多的 解之一。在史瓦西的公式中，黑洞是靜止的物體，霍金是第一個證明它并非如此的人，即隨著時間的推移，黑洞會輻射出來（霍金輻射），因此黑洞并不是完全黑的。
圖注：對于非旋轉(zhuǎn)的孤立黑洞而言，黑洞的質(zhì)量是事件視界半徑 決定因素。在很長一段時間里，人們認(rèn)為黑洞是宇宙時空中的靜態(tài)物體。圖片信息及版權(quán)：SXS team; Bohn et al 2015
很長一段時間以來只有少數(shù)的特征屬性可以來描述黑洞。在史瓦西的公式中簡單地分配了黑洞的質(zhì)量，并解決了時空曲率問題。另一些觀點表示：可以添加一個電荷（Reissner-Nordstrom黑洞）或旋轉(zhuǎn)(Kerr黑洞)，但就是這樣，不可能做到將信息添加到一個黑洞中：一個電中性的、不旋轉(zhuǎn)的人進(jìn)入黑洞后就會包含與氫氣云相當(dāng)信息（一樣多）。從熱力學(xué)的角度來看，這是一場災(zāi)難。可以把一束溫度為 零度，熵為零的氫扔到黑洞中，并且會對黑洞產(chǎn)生與將同等能量的人投擲在那里相同的效果，這根本就沒有意義。
圖注：當(dāng)一個物體被黑洞吞噬時，物質(zhì)所具有的熵的大小取決于物理性質(zhì)。但是在黑洞內(nèi)部只有質(zhì)量、電荷和角動量等特性是重要的。如果熱力學(xué)第二定律依然必須保持正確，這將是一個大難題。圖片信息及版權(quán)：Illustration: NASA/CXC/M.Weiss; X-ray (top): NASA/CXC/MPE/S.Komossa et al. (L); Optical: ESO/MPE/S.Komossa (R)
這意味著與熱力學(xué)第二定律相反，也意味著突然有一種方法可以任意地減少宇宙的熵，經(jīng)典的黑洞應(yīng)該有一個零的熵。如果能夠?qū)⒄鎸嵉�，正的和大量的熵投射到黑洞中，就會有一種方法來違反這條定律。就我們所知，熵一直在增加，這是霍金思考黑洞時所思考的問題之一。必須有某種方法來為黑洞做定義，而且這個值應(yīng)該是正且大的。隨著時間的推移，增加熵應(yīng)該是可以的，但是減少則是被禁止的。 的辦法是通過強(qiáng)制增加黑洞的質(zhì)量來使熵增加至少是所想象的最大值。
圖注：編碼的信息在黑洞表面上可以是信息位（比特信息），與事件視界表面積成比例。圖片信息及版權(quán)：T.B. Bakker / Dr. J.P. van der Schaar, Universiteit van Amsterdam
解決這個問題科學(xué)家（包括霍金）給出的答案是：使熵與黑洞的表面積成正比。能在黑洞中找到的量子信息越多，它的熵就越大。但這帶來了一個新問題：如果有熵，那就意味著有一個溫度，如果有一個溫度，就必須把能量散發(fā)出去。最初稱為“黑”（只吃不吐）因為沒有任何東西，甚至光線都不能逃脫，現(xiàn)在已經(jīng)很清楚，黑洞必須拋出一些東西（方式為霍金輻射）。所以黑洞不再是一個靜態(tài)系統(tǒng)了，它隨著時間的推移而變化。
圖注：黑洞的模擬衰減不僅會導(dǎo)致輻射的釋放，而且會導(dǎo)致中心軌道質(zhì)量的衰減。黑洞不是靜態(tài)的物體，而是隨著時間而改變。圖片信息及版權(quán)：EU's Communicate Science
所以如果一個黑洞不是那么黑，而且如果輻射的話，現(xiàn)在最大的問題就是黑洞如何輻射？搞清楚這個難題的答案是史蒂芬·霍金對物理學(xué)的最大貢獻(xiàn)。我們知道如何在量子場論中計算真空空間是如何在空間平滑的情況下表現(xiàn)出來的。也就是說當(dāng)你遠(yuǎn)離任何物體（比如黑洞）時，可以告訴你空空間的性質(zhì)�；艚鸬谝淮握故臼侨绾卧趶澢目臻g中這樣做：在事件視界的幾個半徑內(nèi)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)量接近時，量子真空的行為有顯著的差異。
圖注：量子引力試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學(xué)結(jié)合起來。對經(jīng)典引力的量子修正可視化為循環(huán)圖，如白色所示。霍金使用的半經(jīng)典近似涉及計算了彎曲空間背景下的真空量子場理論效應(yīng)。圖片信息及版權(quán)：SLAC國家加速器實驗室
當(dāng)霍金進(jìn)行數(shù)學(xué)運算時發(fā)現(xiàn)了以下性質(zhì)規(guī)律：
1、當(dāng)離黑洞很遠(yuǎn)時會得到黑體輻射的熱輻射
2、發(fā)射的溫度取決于黑洞的質(zhì)量：質(zhì)量越低，溫度越高
3、當(dāng)黑洞發(fā)出輻射時質(zhì)量會下降，與愛因斯坦的E = mc^2完全一致，輻射率越高，質(zhì)量損失越快。
4、當(dāng)黑洞失去質(zhì)量時會收縮并輻射得更快。黑洞能存在的時間與它質(zhì)量的立方成正比：銀河系中心的黑洞比太陽質(zhì)量黑洞的壽命長10^20倍。
圖注：如果將空的空間想象為爆炸的粒子/反粒子對存在于內(nèi)外，會看到來自黑洞的輻射。如圖這種可視化并不完全正確，但易于可視化的事實有其好處。圖片信息及版權(quán)：Ulf Leonhardt of the University of St. Andrews
最初霍金將其可視化為粒子/反粒子對的出現(xiàn)和消失，湮滅產(chǎn)生輻射。這一過于簡化的圖像質(zhì)量上足以描述遠(yuǎn)離黑洞的輻射，但事實證明它與視界的距離是不正確的。更準(zhǔn)確的應(yīng)是：真空的變化以及從空間曲率相對較大的地方放射出來的輻射在黑洞本身的幾個半徑內(nèi)。然而一旦離得太遠(yuǎn)，一切似乎都是這種熱量——黑體輻射。
圖注：霍金輻射是圍繞黑洞事件視界的彎曲時空中量子物理學(xué)預(yù)測的不可避免的結(jié)果。本圖這種可視化比上述更準(zhǔn)確，因為它將光子顯示為輻射的主要來源而不是粒子。但是發(fā)射是由于空間的曲率，而不是單個的粒子，并不都是全部追溯到事件視界本身。圖片信息及版權(quán)：E. Siege
突然間，黑洞發(fā)生了一場革命，并理解了量子場在高度彎曲空間中的行為。它打開了黑洞信息悖論，因為我們現(xiàn)在正在問的黑洞事件視界上編碼的信息在黑洞蒸發(fā)時的位置？它打開了黑洞火墻的（相關(guān)）問題，問為什么在物體跨越事件視界時物體不會受到輻射的影響，或者它們實際上是否會受到輻射的影響？它告訴我們在一個體積內(nèi)（在事件視界所包圍的空間內(nèi)）和表面包裹它（事件視界本身）之間存在著一種關(guān)系，這是現(xiàn)實生活中全息原理的一個潛在例子。它打開了一扇門，如果有任何偏離廣義相對論的預(yù)言，讓我們可以第一次探索量子引力的影響。
圖注：在永恒黑暗的永恒背景下，一束光將會出現(xiàn)：宇宙中最后一個黑洞被完全蒸發(fā)。圖片信息及版權(quán)：ortega-pictures / pixabay
致使這一切的論文只是簡單地稱為“黑洞爆炸”并于1974年在《Nature》上發(fā)表�；艚饍H32歲就發(fā)表了這篇論文，這將是一生研究的 成就。多年來霍金一直在研究奇點，黑洞，嬰兒宇宙和宇宙大爆炸，并與加里·吉本斯、喬治·艾利斯、丹尼斯·西馬、吉姆·巴丁、羅杰·潘羅斯、伯納德·卡爾和布蘭登·卡特等科學(xué)巨人合作。他杰出的研究不是憑空而來的，而是在一個在肥沃的學(xué)術(shù)環(huán)境中茁壯成長的聰明才智結(jié)合而產(chǎn)生。這對我們所有人來說都是一個教訓(xùn)，如果我們想要獲得這些巨大的理論進(jìn)步，去創(chuàng)造（和資助）這樣的高質(zhì)量的環(huán)境，這樣的研究才能成為可能。
圖注：在黑洞事件視界之外，廣義相對論和量子場論對于理解發(fā)生的物理現(xiàn)象是完全足夠的，這就是霍金輻射。圖片信息及版權(quán)：NASA
全世界都在哀悼他的去世，但他的研究成果將永遠(yuǎn)的留給人類。也許這將是那個悖論解決的世紀(jì)，可能會物理學(xué)的下一次巨大飛躍將會證實認(rèn)可。無論未來如何，霍金的遺產(chǎn)（研究成果）都是安全的，而任何理論家所能期望的就是他們的理論將會得到及時的改進(jìn)完善。
正如霍金本人所言：任何物理學(xué)理論總是暫時的，因為它只是一個假設(shè)：你永遠(yuǎn)無法證明它。無論實驗結(jié)果與某種理論相符多少次，都無法確定下一次結(jié)果是否會與理論相矛盾。雖然世界已經(jīng)失去了一個偉大的科學(xué)杰出人物，霍金的離去，但他對我們的知識，理解和好奇的影響將在整個時代回響！
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