圖注：英國(guó)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(duì)論，用一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)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(shí)空如何彎曲；另一邊，時(shí)空的彎曲結(jié)構(gòu)告訴物質(zhì)和能量如何移動(dòng)。這些方程的復(fù)雜性使得 解很難找到，因?yàn)閻垡蛩固棺约阂仓徽业搅藘蓚�(gè)：一個(gè)是完全空的空間，一個(gè)是在弱場(chǎng)極限下的單個(gè)質(zhì)量。
圖注：黑洞事件視界是一個(gè)球形或球狀區(qū)域，從中不會(huì)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(cè)會(huì)發(fā)出輻射——稱為霍金輻射。霍金1974年的研究首次證明這一點(diǎn)，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(gè)有趣的解決方案：即在所有的空間上都有一個(gè)點(diǎn)質(zhì)量。我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到這是一個(gè)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(gè)證明它并非如此的人，即隨著時(shí)間的推移，黑洞會(huì)輻射出來（霍金輻射），因此黑洞并不是完全黑的。
圖注：對(duì)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(zhǎng)一段時(shí)間里，人們認(rèn)為黑洞是宇宙時(shí)空中的靜態(tài)物體。圖片信息及版權(quán)：SXS team; Bohn et al 2015
很長(zhǎng)一段時(shí)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(jiǎn)單地分配了黑洞的質(zhì)量，并解決了時(shí)空曲率問題。另一些觀點(diǎn)表示：可以添加一個(gè)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(gè)黑洞中：一個(gè)電中性的、不旋轉(zhuǎn)的人進(jìn)入黑洞后就會(huì)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(chǎng)災(zāi)難�？梢园岩皇鴾囟葹� 零度，熵為零的氫扔到黑洞中，并且會(huì)對(duì)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(gè)物體被黑洞吞噬時(shí)，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(dòng)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(gè)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(gè)零的熵。如果能夠?qū)⒄鎸?shí)的，正的和大量的熵投射到黑洞中，就會(huì)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(shí)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(gè)值應(yīng)該是正且大的。隨著時(shí)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(gè)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(gè)新問題：如果有熵，那就意味著有一個(gè)溫度，如果有一個(gè)溫度，就必須把能量散發(fā)出去。最初稱為“黑”（只吃不吐）因?yàn)闆]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(gè)靜態(tài)系統(tǒng)了，它隨著時(shí)間的推移而變化。
圖注：黑洞的模擬衰減不僅會(huì)導(dǎo)致輻射的釋放，而且會(huì)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(shí)間而改變。圖片信息及版權(quán)：EU's Communicate Science
所以如果一個(gè)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(gè)難題的答案是史蒂芬·霍金對(duì)物理學(xué)的最大貢獻(xiàn)。我們知道如何在量子場(chǎng)論中計(jì)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(shí)，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(gè)半徑內(nèi)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)量接近時(shí)，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(duì)論與量子力學(xué)結(jié)合起來。對(duì)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(jì)算了彎曲空間背景下的真空量子場(chǎng)理論效應(yīng)。圖片信息及版權(quán)：SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室
當(dāng)霍金進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)發(fā)現(xiàn)了以下性質(zhì)規(guī)律：
1、當(dāng)離黑洞很遠(yuǎn)時(shí)會(huì)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(shí)質(zhì)量會(huì)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(shí)會(huì)收縮并輻射得更快。黑洞能存在的時(shí)間與它質(zhì)量的立方成正比：銀河系中心的黑洞比太陽(yáng)質(zhì)量黑洞的壽命長(zhǎng)10^20倍。
圖注：如果將空的空間想象為爆炸的粒子/反粒子對(duì)存在于內(nèi)外，會(huì)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(shí)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(duì)的出現(xiàn)和消失，湮滅產(chǎn)生輻射。這一過于簡(jiǎn)化的圖像質(zhì)量上足以描述遠(yuǎn)離黑洞的輻射，但事實(shí)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(duì)較大的地方放射出來的輻射在黑洞本身的幾個(gè)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(shí)空中量子物理學(xué)預(yù)測(cè)的不可避免的結(jié)果。本圖這種可視化比上述更準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼘⒐庾语@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(gè)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(chǎng)革命，并理解了量子場(chǎng)在高度彎曲空間中的行為。它打開了黑洞信息悖論，因?yàn)槲覀儸F(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(shí)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(shí)物體不會(huì)受到輻射的影響，或者它們實(shí)際上是否會(huì)受到輻射的影響？它告訴我們?cè)谝粋�(gè)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(shí)生活中全息原理的一個(gè)潛在例子。它打開了一扇門，如果有任何偏離廣義相對(duì)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(huì)出現(xiàn)：宇宙中最后一個(gè)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(jiǎn)單地稱為“黑洞爆炸”并于1974年在《Nature》上發(fā)表。霍金僅32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(diǎn)，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(gè)在肥沃的學(xué)術(shù)環(huán)境中茁壯成長(zhǎng)的聰明才智結(jié)合而產(chǎn)生。這對(duì)我們所有人來說都是一個(gè)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(duì)論和量子場(chǎng)論對(duì)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(gè)悖論解決的世紀(jì)，可能會(huì)物理學(xué)的下一次巨大飛躍將會(huì)證實(shí)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(huì)得到及時(shí)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(shí)的，因?yàn)樗皇且粋�(gè)假設(shè)：你永遠(yuǎn)無法證明它。無論實(shí)驗(yàn)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(huì)與理論相矛盾。雖然世界已經(jīng)失去了一個(gè)偉大的科學(xué)杰出人物，霍金的離去，但他對(duì)我們的知識(shí)，理解和好奇的影響將在整個(gè)時(shí)代回響！
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