时间简史续编-第7章
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＇3＇ 雅各布·伯肯斯坦是普林斯顿约翰·惠勒的研究生。他在以色列比尔谢巴的本格乌里恩大学教书多年，现在在耶路撒冷希伯莱大学的拉卡物理研究所工作。
热力学是物理学的一个分支，它研究热和能量的关系。热力学第二定律也许是最著名的。它指出，一个孤立系统的熵或无序度总是增加：鸡蛋一旦掉到地上被打碎，不大可能再恢复成原先的形状。
史蒂芬·霍金
广义相对论是所谓的经典理论。它对每一个粒子预言一条单独的、确定的途径。但是根据量子力学，这个二十世纪另一伟大的理论，粒子存在机遇和不确定的因素。1973年访问莫斯科时，我和雅可夫·捷尔多维奇，这位苏联氢弹之父讨论量子力学在黑洞中的效应。此后不久我有一个最令人惊奇的发现。我发现粒子会从事件视界漏出来而且逃离黑洞。
我首先告诉了西阿玛这个发现，但是很快就意识到纸包不住火，这个消息保不住。在我吃生日大餐时，接到罗杰·彭罗斯的电话。他非常兴奋，讲了又讲，以至于我的大餐完全冷了。那是我非常喜爱的鹅肉，所以很可惜。
约翰·惠勒
有一天雅各布·伯肯斯坦走进我的办公室。〃雅各布，〃我说，〃当我把一个热茶杯放在一个冷茶杯旁边时，总是感到很不安。我让热从一个杯子流到另一个杯子，增加了宇宙的无序度，我犯的罪过永远在时间长廊中不断回响。可是，雅各布，如果有一个黑洞在附近徘徊，而我只要把这两个茶杯都扔进去，不就销毁了犯罪证据，是吗？〃
雅各布看起来有些困惑，后来他回来告诉我：〃不，你并没有销毁犯罪的证据。黑洞把你所有发生的事记录了下来。所以黑洞的熵，也就是无序度增加了，因此永远会显现你的罪证。〃
黑洞的无序度是多少，伯肯斯坦提供了一个近似值。史蒂芬·霍金和布兰登·卡特读到了伯肯斯坦的结论，他们感到非常困扰，甚至着手去证明这是错的。可是，他们越研究就越发现和他的结论一致。史蒂芬·霍金甚至研究得更深远，他设计出一个方案，用来理解粒子如何从黑洞出来，以及黑洞的温度不仅是理论上的温度，而且是粒子从黑洞蒸发出来时的真实温度。
黑洞并不是完全黑的。跟太阳一般大的黑洞大约温度是高于绝对零度的一百万分之一度很微小，不过仍是有温度。
史蒂芬·霍金
在我和布兰登·卡特合写的一篇文章中，我们指出了伯肯斯坦理论中一个致命的缺陷。如果黑洞具有熵，就应该具有温度。如果具有温度，就应该发出辐射。可是如果任何东西都不能从黑洞逃脱，黑洞又怎么能发出辐射？我必须承认，我写这篇文章的部分动机是不高兴伯肯斯坦滥用了我的事件视界面积增加的发现。最后的结果证明基本上他是正确的，虽然是以他绝未预料到的方式。
邓尼斯·西阿玛
对于和热力学之间的这些相似，霍金起初只觉得好奇。而伯肯斯坦断言，它们是真正的热力学性质。因为史蒂芬·霍金和詹姆·巴丁以及布兰登·卡特在1973年写了一篇非常重要的文章，他们把这篇文章直截了当叫做《黑洞力学的四个定律》，而不叫着《黑洞热力学的四个定律》，所以你可以跟随他的思想演化。他们探讨这些相似性，但是强调这不是真正的热力学，而且他们有很充分的理由这么说。因为那个时候人们认为，一个热的黑洞仍然不能辐射；而如果一个热体不能辐射，你的热力学就失效，所以这些类比并无深意。
那是1973年的事。然后，在1973和1974年之间，霍金在研究当一颗恒星坍缩之际，把量子力学效应引进它的外围区域时会发生什么事。他利用复杂的计算发现了：坍缩恒星变化的引力场会存在辐射。他的计算是如此复杂和繁复，对我来说简直是奇迹！
因为在量子力学中，当一个场改变时就会产生并辐射出粒子，所以也许任何人都会预料到上述结果。这个计算中始料未及的是，在坍缩的最后阶段，当恒星接近成为黑洞的条件时也就是当它变成如此紧密，以至在经典意义上辐射不能再离开黑洞存在着残余的辐射，而这残余辐射具有黑洞温度表征的热谱。这温度正是伯肯斯坦原先引进的。这是关键性发现。
我记得1974年访剑桥时，遇到马丁·雷斯，他激动得颤抖。＇4＇
＇4＇ 马丁·雷斯是史蒂芬·霍金的合作者，现在剑桥的天文研究所任职。
他说：〃你听说史蒂芬的发现了吗？一切都不同了，一切都改变了！〃
〃你说什么？〃我问道。雷斯向我解释说，由于量子力学效应，黑洞像热体一样辐射，所以不是黑的。这就引进了热力学、广义相对论和量子力学的新统一，这会改变我们对物理的理解。
后来由我协助召开在牛津附近卢瑟福实验室的一次会议，史蒂芬来参加了。大家都很激动，我记得有人站起来说：〃你一定弄错了，史蒂芬，我一点也不相信！〃
约翰·泰勒＇5＇
我曾说过，我并不满意用负能量粒子产生来解释。不过我觉得这是科学争论的一部分。你必须妥协。我为自己能参与其中而感到高兴。这才是其中乐趣。你知道，如果所有人都坐下来附和说：〃啊，真不错〃，而在大家头脑中仍有悬疑的问题，那不是对科学负责的态度。但是除了那一次向他质疑之外，我并非反对派。
＇5＇ 约翰·泰勒是最初提出反对意见的科学家。
史蒂芬·霍金
我仍然不能完全相信它。直到我找到了黑洞能够发生辐射的机制后，才使自己信服。根据量子力学，空间充满了虚的粒子和反粒子，它们经常成对产生、分开，然后聚到一起并相互湮灭。黑洞存在时，一对虚粒子中的一个会掉到黑洞中去，而另一个由于失去与之湮灭的伙伴而留存下来。被遗弃的粒子就是黑洞发射的辐射。量子力学允许粒子逃离黑洞，这是爱因斯坦的广义相对论不能允许的事情＇6＇。
＇6＇ 在量子力学中虚粒子是永远无法直接探测得到的，但是它的存在具有可测量的效应。
每一类型的物质粒子都有一种对应的反粒子。当一个粒子和它的反粒子碰撞时，它们会湮灭，只留下能量。
由于量子力学中的机率和不确定性，爱因斯坦从未接受过它。他说道：〃上帝不玩骰子。〃看来爱因斯坦犯了双重错误。黑洞的量子效应暗示，不仅上帝玩骰子，而且它有时候把骰子丢到看不见的地方去。
邓尼斯·西阿玛
雅可夫·捷尔多维奇，这位苏联著名的天体物理学家和宇宙学家也拒绝相信它。可是花了几个月的时间，人们就清楚了，这种论证是正确的。这个发现除了惊人地出乎预料的性质之外，它的原始计算是相当复杂的，其效应是由正在发生的更大现象来的小的残余效应。正如在物理学中经常发生的，一旦人们得到这种观念，他们就澄清讨论，使之更为清晰。几个月后所有人都相信它是正确的，它根本改变了我们对物理学的理解。
霍金效应描述的黑洞辐射还未被观测到，但这并非霍金的过错。这是因为对于自然产生的黑洞，如可能在天鹅座X－1＇7＇ 中的那一个，这个效应太弱以至于观测不到。
＇7＇ 天鹅座X－1是离地球六千光年远的一个星座。许多科学家相信它包含一个黑洞。在另一个只能在南半球看得见的星系大麦哲伦星云中，人们相信存在另一个黑洞。
他曾经努力寻找观测效应，因为他在一系列有趣的工作中提议，也许存在低质量的太初黑洞＇8＇。
＇8＇ 太初黑洞是当宇宙非常年轻时产生的黑洞。
你瞧，黑洞的质量越小，它的温度就越高。当然，黑洞越热，则它释出的辐射功率就越大。而且，随着它的辐射并且质量损失时，它变得更热，辐射得更快。这样，最终的结局是一次剧烈的爆炸。事实上，霍金计算出，除了宇宙本身的大爆炸起源以外，这爆炸比科学中任何已知爆炸都更激烈。
整个问题在于：这个过程需要多长时间？如果有一个太阳质量的黑洞，而且你认为它现在开始辐射，则需要花费比现在宇宙年龄长大约十的六十次方倍才会这么剧烈的爆炸，这个时间真是长得不可思议。可是，如果你有一个质量大约为一座小山那么大的黑洞，就会在大约宇宙年龄的时间里爆炸。
因此霍金说，具有这种质量且在早期宇宙形成的太初黑洞，也许现在正在爆发，我们可以在伽玛射线以及射电波中寻找这些爆炸。由于称作伽玛射线爆的起因还不清楚，所以人们有一阵子十分激动地认真寻求从爆发黑洞出来的伽玛射线。可是，现在我们已经完全知道，它们并不是史蒂芬的黑洞爆炸。
当然，你没看到它们的事实并不意味着这思想是错的。它可能表明并没有形成许多这么低质量的黑洞。不管怎么说，这些效应是太弱了，以致无法直接在实验室里观察到，正因为这个原因未被检测到。
白纳德·卡尔
约翰·惠勒有一次说过，谈论史蒂芬理论犹如在舌头上含一块糖。物理学中的许多突破的确如此。它们和流行观念对抗，但是一旦你拥有它们，它们的四周就有了真理的光环。
基帕·索恩
霍金辐射发现的前奏是霍金和捷尔多维奇之间的一次会面， 当时我也在场。1973年史蒂芬和简决定访问苏联。由于我是莫斯科通，他们邀我和他们同行。这样子我就去了。我从1968年起就和苏联科学家合作研究，经常有来往。
捷尔多维奇是史蒂芬想见的关键人物，反之亦然。在苏联，捷尔多维奇和安德雷·萨哈洛夫得到过的勋章数量仅次于勃列日涅夫，而勃列日涅夫的勋章有点滑稽可笑。捷尔多维奇和萨哈洛夫是苏联氢弹的关键设计者。60年代初，他们两人都离开了核武器的研制，并开始研究宇宙学、黑洞以及相关的领域。
捷尔多维奇在1969年左右意识到旋转的黑洞应该发出辐射，而这种辐射应是广义相对论和量子理论的结合或半结合的产物。可是捷尔多维奇相信，这个旋转黑洞所发出的辐射会使黑洞旋转变慢，然后辐射会停止。这样，辐射基本上是由黑洞的旋转能量产生的，辐射来自靠近视界外的区域，而发射辐射会使黑洞停止旋转。
1969年捷尔多维奇告诉我，他相信这会发生，但是他的广义相对论的基础不足，证明不了它。他仅仅凭直觉知道这一点。我认为他发疯了，所以我们打赌，他赌说仔细计算最终将证明这是事实，而我赌这不会发生。
1973年当我和史蒂芬回去时，因为那时候已经很清楚旋转黑洞必须发射这种辐射，所以输了一瓶白马牌苏格兰酒给他。
但是史蒂芬不知道这个思想。当他得知捷尔多维奇的思想时，捷尔多维奇的解释并不使他完全信服。他要用自己的方式来思考。
史蒂芬回到剑桥后思考了几个月。他意识到，甚至非旋转黑洞也会发射辐射，因此黑洞会蒸发，这比捷尔多维奇的能把黑洞的旋转能量发射出来的结论远为前卫。
捷尔多维奇死于1988年。他真是个了不起的人物。直至戈尔巴乔夫时代，他才得以到西方旅行，不仅因为他是犹太人，还因为他深深地卷入到氢弹的研制。他不理解广义相对论，然而他凭直觉知道旋转黑洞会蒸发。
可是他的直觉并没有告诉他，一个非旋转的黑洞会蒸发。事实上，捷尔多维奇是在这个问题上最晚让步的人。两年之后，史蒂芬在数学上指出，一个非旋转的黑洞必须完全蒸发光。那时，我刚好在莫斯科，而且发现没有一个苏联人相信。他们为什么不相信呢？因为捷尔多维奇不相信。
后来我在各研究所做了一系列演讲，描述史蒂芬的原始计算，以及他和詹姆·哈特尔合作的不同方式的计算。这些演讲迫使捷尔多维奇和亚历山大·斯塔拉宾斯基一一他优秀的年轻学生，回去以他们自己的方法，重新思考。
即将离开莫斯科前的星期天晚上，捷尔多维奇打电话给我。他说：〃到我的寓所来，我有话跟你说。〃
我正急切地要完成和某人的合作文章，但只要捷尔多维奇呼唤，我就会毫不犹豫地去。我用手招呼路过的摩托车，他一直带我到了捷尔多维奇寓所。莫斯科没有出租车，所以必须挥手招呼摩托车。我进去敲门，发现捷尔多维奇和斯塔拉宾斯基在那里。他们伸出手来说：〃我们输了。霍金是对的，我们错了。〃
史蒂芬·霍金
黑洞辐射向我们显示，引力坍缩不是我们曾经一度以为的那样，是最后的阶段。如果一位太空人掉到一个黑洞中去，他将会以辐射的形式回到宇宙的其他部分去。从这观点来看，该太空人在某种意义上被再循环了。
然而，因为当任何人在黑洞中被撕碎时，他的个人时间概念达到了终端，所以这种不朽实在是非常可怜的。
基帕·索恩
到1975年止，我为物理学打过许多次赌，除了和捷尔多维奇那一次，每次都赢。我和史蒂芬打了一个赌，它是关于在天鹅座X－1中是否存在一个黑洞。大约在那个时期，为了建立解释天鹅座X－1的详细模型，我做了一些工作，所以我打赌的动机是，如果在天鹅座X－1中果真有一个黑洞的话，则那个模型就不会完全无用。
史蒂芬·霍金
我和基帕·索恩打赌说，在天鹅座X－1中没有黑洞，这对我来说像是买保险。我为研究黑洞做了大量工作，如果黑洞不存在，我花的工夫就都白费了。所以，如果黑洞存在，基帕就会得到一年的《阁楼》。如果不存在，我将得到四年的《私人眼睛》作为安慰奖品。
基帕·索恩
由于史蒂芬的手逐渐地不听使唤，他必须开始发展他的几何论证。这样他就可以在他的头脑中以图形来进行这些论证。他发展了一系列非常强有力、任何人都没有的工具。所以，在某种意义上，当你失去一套工具时，你可以发展其他工具。而新的工具比旧的工具对不同的问题更为适用。而如果你是世界上唯一拥有这些工具的大师，那就表示某类问题只能由你解决，而任何人不容置喙。
伊莎贝尔·霍金
他自己说过，如果他没得病，就不会达到目前的成就。正如萨缪尔·约翰逊说过的，你得知会在夜尽天明时被吊死，将使你思想极为专注。若在另外的情形下，我认为如果他不生病，可能不会如此专心研究，因为他总是对生活中许多事有极大兴趣。我不知道如果他能到处走动的话，他是否会以同样的精神献身研究。当然我不能说得这类病对任何人是一种运气。但是就他而言，可比其他人少一些不幸，因为他可如此全心全意活在他的头脑中。
史蒂芬·霍金
直到1974年，我还能自己吃饭和上下床。简在没有外界协助的情形下帮助我，并且带大了两个孩子。然而事情变得越来越困难。所以，此后我的一名研究生就和我们同住。
当·佩奇
当·佩奇1976年在基帕·索恩指导下在加州理工学院获得物理学和天文学的博士。当史蒂芬·霍金在那里做一年访问学者时，他遇到了史蒂芬。当·佩奇是一名福�
