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图6-6-1 黑洞物理和霍金辐射
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霍金当时并不同意贝肯斯坦的观点，认为它与黑洞的经典性质相抵触。但是，霍金于1974年发现的“霍金辐射”，实际上支持了黑洞具有“熵”的说法，因此霍金后来承认了贝肯斯坦理论的正确。
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黑洞不是只进不出吗？为什么又具有“辐射”现象呢？霍金在《黑洞爆炸？》一文中，将量子的概念用以解释黑洞的辐射。霍金认为，由于真空能量的涨落，在黑洞事件视界的邻近区域会出现许多由“正负能量粒子”构成的虚粒子对，它们不断生成又不断湮灭。在它们短暂的生命期间内，这些微观粒子遵循量子力学的“不确定性原理”，大多数情形下在黑洞的事件视界附近转圈，见图6-6-1（b）。但有少数时候，虚粒子对中的一个（粒子A）有可能掉进了黑洞，如同图6-6-1（a）中不小心的爱丽丝那样，再也回不来了。丢下伤心欲绝的鲍勃孤身一人在黑洞外游荡。如果是考虑图6-6-1（b）那种许多虚粒子对的情况的话，如果粒子A被黑洞“俘获”，粒子B则从虚粒子转化成具有能量的实粒子，可以跑到无穷远。如此而逃离黑洞事件视界的所有B粒子，便构成了“霍金辐射”。
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霍金对黑洞辐射量子力学的解释颇能令人信服，也从此开启了黑洞的量子引力研究。不过，霍金辐射的强度非常小，例如，一个质量为太阳质量（1030kg）的黑洞，其霍金辐射温度为10-7K，远远低于宇宙微波背景辐射的温度（2.7K）。因此，天文观测和实验室中观察到不少黑洞的候选者，但至今尚未有确实的证据证明“霍金辐射”存在。
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霍金辐射的能量来源于黑洞，由理论计算可知，黑洞的质量越小，霍金辐射就越大。因而，对某些黑洞，就有可能因为辐射而使其质量不断减少，最后消失了。这种现象被称为“黑洞蒸发”。黑洞最终的命运是因“蒸发”而消失，这个结论会导致很多问题，“信息悖论”（或称黑洞佯谬）便是其中之一。
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黑洞佯谬是霍金在1981年于旧金山举行的一次讨论会上提出的，之后遭遇不少反对意见，引发一场所谓“黑洞战争”。在此不作详细介绍，读者可参阅参考文献[50]。
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霍金对黑洞的经典物理和量子物理方面都作出了重要贡献。除此之外，他还写了好几本科普书籍，将深奥的物理概念介绍给非物理界大众。其中《时间简史》一书一度成为位居榜首的畅销书。
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970794]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 7．威滕的菲尔兹奖
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1951年，也就是爱因斯坦在72岁寿诞时留下他那一张著名的吐舌头照片的那一年，一个婴儿降生在美国巴尔的摩的一个研究广义相对论的犹太裔理论物理教授家里。他就是现在普林斯顿高等研究院的数学物理教授，如今已成为最著名的理论物理学家之一的爱德华·威滕（Edward Witten，1951— ）。
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尽管他的父亲路易斯·威滕是研究广义相对论的理论物理学家，但年轻时威滕的梦想却是走向人文之路。他高中毕业后进大学主修历史，打算将来成为一名政治家或记者，毕业后还曾经参与支持一位民主党候选人的总统竞选工作。不过后来，他感觉从政的道路上容易迷失自我，因此“半路出家”而杀向了理论物理。从他21岁进入普林斯顿大学研究生院开始，他对物理及数学的兴趣骤增，并且钻进去便一发不可收拾。由于威滕在物理及数学领域表现出与众不同的才能，29岁便被普林斯顿大学物理系聘为教授。（图6-7-1）
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图6-7-1 爱因斯坦72岁那年，威滕诞生于离普林斯顿不远的巴尔的摩
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威滕的物理直觉惊人、数学能力超凡。20世纪80年代，笔者在奥斯丁大学相对论中心读博期间，听过与温伯格一起工作的一位年轻而知名的弦论物理学家评价威滕。具体原话记不清楚了，大意是说：“在当今的粒子物理领域中，只有威滕是理论物理学界的莫扎特。相比而言，我们都只能算作宫廷乐师！”
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那位物理学家当年还津津有味地描述了1984年11月的那天，威滕在普林斯顿大学就弦论作报告时的精彩热闹情景。威滕这位当时涉猎弦论和量子场论并不太久的年轻人，以他关于卡拉比—丘流形紧化的文章[51]，在理论物理界掀起了一个超弦风暴。后来人们用“第一次超弦革命”来命名这段弦论红火的短暂时期。
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到了1990年，弦论研究处于低谷，却传来了国际数学联盟授予威滕数学界最高奖项——菲尔兹奖的消息。爱德华·威滕是第一位，也是迄今为止唯一的一位被授予菲尔兹奖的物理学家。
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著名英国数学家迈克尔·阿蒂亚（Michael Atiyah），当年被邀请在菲尔兹奖颁奖大会上介绍爱德华·威滕的工作。他因事未能出席大会，但他在书面发言中如此评论威滕[52]，[53]：“虽然他绝对是一位物理学家，但他对数学的驾驭能力，足以与数学家媲美……他一次又一次超越了数学界，以巧妙的物理直觉导出新颖深刻的数学定理……他对现代数学影响巨大……凭着他，物理再次成为数学的丰富灵感和直觉的源头。”
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的确如此，从威滕发表的几百篇论文涉及的课题来看，大多数是物理方面的。他是弦论的开创者，也是研究量子场论的专家。1995年，他提出的M—理论掀起弦论的第二次革命。除了物理之外，威滕对相关的数学方面作出许多贡献，他与菲尔兹奖有关的工作可简单概括为如下几点。
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（1）正能量定理
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爱因斯坦广义相对论的核心是引力场方程。这个方程的一边是物质的能量动量张量，另一边则是由四维空间的曲率及其导数组成的爱因斯坦张量。引力场方程的解描述在一定的物质分布下时空的几何性质。它实际上是一个2阶非线性偏微分方程组，要想在数学上求得此方程组的解非常困难。方程只在某些特殊情形下有解析解，比如，引力场方程的真空解是平直的闵可夫斯基四维时空。物质分布为球面对称的准确解称为“史瓦西解”。
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尽管求解引力场方程困难重重，但根据它来研究物质及空间的种种性质却行之有效。为此物理学家们作了种种努力，正能量定理（或称“正质量猜测”）便是沿此思路而导出的一个漂亮结果。定理的大意如此：如果在一个引力系统中，物质被包围在一个有限的范围内的话，引力场方程的解是渐近的闵可夫斯基四维时空，也就是说，在距离这个物质区域足够远的地方，时空可以近似看作是平坦的。对这类渐近平坦引力体系，可以定义一个总能量值，即系统的全部能量之和。人们猜测：这个值是一个正数或零，并且当且仅当该引力系统是完全平坦的闵可夫斯基空间时，该总能量值才会为零。进一步，从这个定理可以推出闵可夫斯基空间是引力场方程的一个稳定基态解。
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美籍华裔数学家丘成桐使用非线性偏微分方程中的极小曲面理论，在1979年对此猜想给出了一个完全的证明。这在当时是一个了不起的工作，也是丘成桐之后获得菲尔兹奖的主要成就之一。
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