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在你周围,那些恒星们又开始以让人难以觉察的速度慢慢移动。从你跨越(对不起,被推过)黑洞地平线后到现在,真的过去了一百亿年。你看着那悬在太空中的黑色空间,你刚从那里奇迹般地逃脱。第一眼看去,它看起来似乎没有什么变化,但现在你已知道要寻找什么。就像面纱被揭开,你的确能够看见了。粒子们正从黑洞中逃脱,从那里离开,辐射出去,那个黑暗的怪兽就像在蒸发中。
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你意识到或许它一直如此,只是你先前不曾注意。但这怎么可能?
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就像理查德·费曼曾经说过,只有一个人能给出多个不同理由来解释某现象为什么会发生的时候,他才真正了解了这个现象。
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你与机器人接着观看粒子们如何奔腾着离开黑洞进入太空吧,让我来告诉你黑洞为什么会发生粒子泄漏的四个原因,它们都与你已经见过的那个过程有关联。
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第一个原因最简单。
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你知道,量子粒子能够从产生它们的场中借到能量。它们在黑洞地平线之内也同样如此。拥有了这种借来的能量,它们可以在一小段时间里比光走得更快。时间不长,但足以通过量子跃迁跳出黑洞的不归区域。这就是你在缩微版状态时所经历的。这是量子进程。
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所有试图对你经历的事所作的解释本质上都是量子的,所以它们都带着通常的谨慎对待的警告,如同你在量子世界中所见到的那么多诡异景象一样,听起来就像是天方夜谭。
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第二个原因也不例外:你可以说所有掉入黑洞地平线的粒子们也没有掉入。掉入了,也没有掉入。在所有可能发生的路径中它们(理解为波)可以选择掉入,也可以选择没有掉入,而且大多数途径是没有掉入,因为黑洞外面的空间大于黑洞内的。令人惊奇的是,这个经过深思熟虑的想法,在描述黑洞的蒸发方面与上述第一种原因异曲同工,给出了同样的结果。
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第三种原因如下:因为地平线将空间分成不同的两部分,黑洞内的真空与黑洞外的不一样,因此某种形式的真空作用力——卡西米尔效应,应该将地平线向里推,让黑洞变小并蒸发。这种解释又一次奇迹般地给出了同样的结果。
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我在这里给出的第四个也是最后一个原因是,在所有黑洞地平线附近都会生成粒子–反粒子对,反粒子掉入黑洞的可能性比粒子掉入的可能性大,就像我们身边的反粒子的数目大大小于粒子一样。穿越了地平线的反粒子被黑洞禁锢,肯定会与已被禁锢在那里的粒子发生湮灭,让它们两个粒子同时消失,只剩下一个粒子留在黑洞外面:那颗早先与反粒子一同被创造出来的粒子,而它那掉入黑洞的反粒子伙伴已经与黑洞中的一颗与自己相同的粒子发生湮灭。再一次,这种原因也给出同样的结果。
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这些都是你以前见到过的量子效应,只是现在它们发生在黑洞附近。而且它们都带来了相同的结果:黑洞在蒸发。有物质从它们内部泄漏出来。
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现在你能看见黑洞发光,因而意识到黑洞这个持续几个宇宙世代吞噬整颗恒星的宇宙巨兽不再是黑的,而是灰色的。而且在收缩。
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甚至还有一个更让人惊讶的事实,一个黑洞射出的粒子越多,它就变得越热,而随着黑洞变得越热,它射出的粒子又会越多。这又是一个恶性循环,将导致黑洞不可避免地死亡。
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一个黑洞的死亡。
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黑洞会死亡?虽然听起来难以置信,但你正注视着的黑洞的确正在收缩,并释放出一些辐射。通过吞噬整个世界而储存在里面的时空能量现在正被还给太空,一个粒子一个粒子地,就好像是放射性衰变,黑洞就像是为了降解一切而生,为了给粒子们一个新的机会……
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自然界中所有的量子场,都被我们宇宙中最强大的引力源所激发,都开始利用这飞来横财给自己补充能量。当黑洞变得越来越热时,至今还一直休眠着的基本粒子们开始苏醒并飞离黑洞。你看着它们发生。黑洞越小,量子场的能量被激发得越强,粒子以越高的能量飞出黑洞。引力能量再一次被转化成物质与光。
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你看着这一切展现在你眼前,你意识到它与地球上的法则完全相反:在地球上一杯热水蒸发时不会越变越热。通常,它会变冷。如果不是这样,那么把热咖啡放在桌上不管不顾就会引发灾难性的后果。晚间新闻的头条将满是“又一杯咖啡引燃了桌子,烧着了整座房子。记得一定要将你的热饮料放入恰当的垃圾桶中”。
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黑洞显然不同于咖啡,它们蒸发得越多,收缩得越小,会变得越热。没有谁知道这个过程的终点是什么。黑洞会伴随着一个最后的爆炸消失吗?还是会带有某种特性的微小诡异的残骸剩下来?要找到这个问题的答案,我们需要找到是什么规律统治着藏身于黑洞最深处的奇点。从一九七五年起,科学家们就在寻找这种规律。
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就在那年,英国理论物理学家史蒂芬·霍金在纸上发现了黑洞会蒸发。
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最开始,他都不敢相信他自己的计算。光线看起来正从原本应该不会有光离开的地方辐射出来。他再次重复了自己的计算。又重复一次。再一次看到光与粒子能够找到逃逸黑洞的途径。他在《自然》杂志上发表了自己的发现,一下子在世界范围内声名鹊起,甚至超出了学术界。量子效应让黑洞蒸发。掉入其中的一切未必永远被禁锢其中。它能逃出来,虽然不是通过你所知的途径。黑洞能够蒸发,就像具有温度一样。这种温度在今天被称为霍金温度。
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你看着黑洞将自己最后的能量辐射出来,意识到你现在所看到的正是最大与最小世界确实发生的互相交流,当然它们的交流本来就应该是期待之中的。黑洞辐射是人类至今为止获得的,或许能够证明自然界在大与小的世界发生交流这方面能被理论认识的唯一证据。至今为止,这是显示量子引力理论可能存在的唯一暗示。其他任何理论挑战必须都要解释并预言霍金温度,以及黑洞蒸发——直到黑洞的死亡。
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“黑洞会死亡?”你大声说,无法相信。
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“如同宇宙中所有的一切一样。”机器人回答说。
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但在二十世纪七十年代末期,霍金的发现也带来一个非常奇怪和相当令人不安的结论。利用他的温度公式,以及他所发现的黑洞辐射,霍金试图了解黑洞一开始是怎么产生的。为了让问题简单化,他从一个已经完全形成的黑洞开始,往里面扔入各种材料,看看它们会受到黑洞辐射的什么影响。让人惊讶的是,没有差别。黑洞所发出的辐射中没有任何显示被吞噬的是什么物质的信息,除了它们的质量。从他自己所见来看,黑洞活生生地剥夺了一切它们所吞噬物质的所有特征信息,除了质量。不管穿过黑洞地平线的是几个人类,一些书本,一块岩石还是一块钻石,如果它们最初质量恰好一样,以后被蒸发出来时会变得完全一样。在霍金的理论里,人类、书本与石头在黑洞眼中都一样。对于我们所有人来说,黑洞只在乎我们的质量,其他都无关紧要,对于有些人来说,这种过于简化或许只是有些令人沮丧,但对于科学家们来说,却是一种哲学上的灾难。
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