“霍金辐射”为何难以观测？

傅婷婷

陈学雷，中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量团组首席研究员，星系宇宙学部副主任

三联生活周刊：

你的研究领域和霍金的研究领域有什么交叉之处？

陈学雷：在霍金开始进入研究领域的上世纪六七十年代，宇宙学或者黑洞方面观测还是很少。研究者首先从理论上着手，霍金那时做了很多量子宇宙学和黑洞的研究理论方面的工作。后来有了很多观测手段，做观测人越来越多，这些年主要的研究也都在观测上面。霍金的研究方向，现在有一些弦论研究者会研究，宇宙学目前的大部分研究都没有那么抽象，而是去做如何用观测去检验理论、推断宇宙。这是一个研究方向的变化。

霍金一直到去世前这几年都还发表论文，但是他自己真正的贡献大部分集中在60年代到80年代。霍金的主要贡献还是在他更早期的时候，他实际上是做了一些概念性的突破。

听起来好像说观测就是观测，其实在宇宙学里，“观测”不是这么直接的。它也需要构造很多复杂的理论去分析你看到的数据如何能够跟宇宙模型联系起来，90年代之后，大家主要做观测的方向。

三联生活周刊：

五六十年代偏重理论，现在却偏重观测。为什么会有这种研究方向的变化？

陈学雷：因为相对论建立以后，预言会发生什么现象，当时并不完全清楚。所以那时首先要从理论上搞清楚。比如，“黑洞”一词是在60年代末才作为一个固定的概念，之前有大概的想法，但好多没定下来。所以那个时候主要是一些基本概念，想把理论推到极致，看看到底如何。六七十年代，霍金他们研究之后，在经典的广义相对论里面已经基本上很难再往下深入，因为基本已经做完了。当然现在用数值方法做双黑洞并合等是更进一步的发展，所以也不能说广义相对论就完全做完了，但就80年代而言差不多可以算是告一段落。

再进一步，需要观测的指导和线索。到了七八十年代，随着天文观测技术的发展，无论在黑洞还是宇宙学方面，都有了很多可以观测的机会。所以从80年代开始，大家的研究方向大部分转向了如何用观测的方式获得宇宙学早期的信息，所以研究的趋势已经发生了变化。初版于80年代的宇宙学著作《早期宇宙》一书90年代后期再版时，作者就说，发现量子宇宙学的领域没有太多新的变化，更新都是在观测方面。

三联生活周刊：

“霍金辐射”在多大程度上得到了证明？

陈学雷：“霍金辐射”从理论上有一个比较令人信服的论证，但是要证实比较困难。

物理不像数学，证明了就结束。物理研究的证明实际上多是以实验为前提或者是“近似”的推论。

“霍金辐射”里面一个推测是，黑洞产生霍金辐射，黑洞的质量越小，辐射的温度越高，越剧烈；黑洞质量越大，辐射越缓慢。如果有小黑洞，是可以看到它产生的霍金辐射的。

这样一来就出问题了：因为天文上发现的那些黑洞的质量是比较大的，它的辐射都很缓慢，温度太低，目前来看很难用现有的技术观测到。

霍金也曾经有一种猜想：宇宙大爆炸的时候，如果能够生成一些原始小黑洞，这些小黑洞可以很快蒸发，产生霍金辐射，那么有可能被观测到。这个猜想引起很多人的兴趣。

当年广义相对论预言了引力波，听上去很对，没有人怀疑。但是从20世纪初期预言“引力波”，到21世纪找到引力波，差不多用了100年的时间。其实从理论的角度来说，“霍金辐射”可能还比引力波的可靠性稍微弱一点。

三联生活周刊：

为什么相对于引力波来说，“霍金辐射”可靠性弱一点？

陈学雷：因为引力波它是一个纯粹的从经典理论推导出来的东西。而霍金通过量子力学推导出来，量子力学本身也有一些不确定的因素。霍金还有一些假设，理论上很像是对的，但是要观测到比较困难。

另外，引力波我们现在之所以能找到，是因为确实有很大质量的黑洞在互相绕着转，你可以看到它产生的引力波。如果没有黑洞，原则上像我们地球绕着太阳转，也能产生引力波。但这个引力波就太微弱了，你要想探测它就非常困难。

霍金辐射的情况就是这样，如果有他说的小黑洞，那就比较容易探测到。如果沒有小黑洞，我觉得在人类文明史上都不一定有机会能探测到这个东西，因为它讨论的温度太低了，很难观测。

三联生活周刊：

也就是说，已经发现的黑洞都较大，很难观测到辐射；而容易去证实的“小黑洞”，自然界又不一定存在。那么已经发现的黑洞，它们的大小大概在什么范围内？“小黑洞”如果存在，小到什么程度可以观测到？

陈学雷：已经发现的这些黑洞，我们基本知道是怎么形成的。现在发现的黑洞有两大类：一大类叫恒星质量黑洞，大概几十个太阳质量的，是恒星演化到末期的时候所形成的；还有一种叫超大质量黑洞，这个一般从几百万到几十亿个太阳质量的都有，那些基本上是星系的中心，它不断吸积气体，逐渐长大。这两种过程我们都清楚。比如说我们银河系中心黑洞，就是一个大概400万太阳质量的黑洞。

除了这两类黑洞已经发现，我们现在有很多理由认为还可能有一种介于两者中间质量的黑洞，这个是比较有希望发现的，但以上三类“霍金辐射”都太弱了。

但是这些都太大了，我们希望有一种质量比地球还要小，甚至跟一座山的重量差不多的黑洞。这种黑洞如何才能产生？非常困难。现在想到的机制是在宇宙大爆炸的时候，有可能会产生出一些“小黑洞”，但这只是一种假设。是不是一定会产生？没人有把握。“小黑洞”是不是存在，都还不知道。

三联生活周刊：

霍金这些理论证明的难度有多大？

陈学雷：一般公众可能不是很容易理解“证明”的难度。

举例来说，霍金的“奇点”定理，宇宙当中必然有奇点。在他之前，大家也知道有奇点，但并不认为奇点是必然的，因为广义相对论的理论非常复杂。发现奇点，是因为当时假定恒星或者宇宙是球对称的，比如恒星往里塌缩变成一个奇点，一个黑洞；或者大爆炸的时候从球一样的东西里往外长出来。但我们知道真正的恒星不可能是球对称的，它多少都有一些不对称的偏离球形的东西。那随着往里塌缩越来越厉害，球形的东西可能偏离球形。如果是球形撞到一起，构成一个奇点。如果不是球形，是不是就可以错开，避开奇点？

所以在霍金之前，大家都认为未必真有奇点，或者说这些奇点只是数学上理想化的存在，在物理的情况下可能不存在。但是霍金就使用了一些非常高级的数学工具，证明了无论什么情况下都会出现奇点。当然还是要承认一些前提才成立，但是这些前提是在物理学上也很合理的一些假设，所以奇点就不可避免。这是他在学生阶段做出来的第一个比较重要的工作。

传统的搞相对论的人，很擅长计算。但是“奇点”用到了很新的数学工具，比如拓扑，而直到今天，物理学界掌握这些东西的人仍然很少。数学界可能有人懂几何，但未必懂物理。

有人说，霍金因为生病，很多东西不能去拿算式一个一个去计算，而是靠“想”，他的头脑里形成了很好的几何图像。霍金把非常不利的情况变成了一个自己的独特的视角去做研究，我认为是非常独特的。

广义相对论的计算，常常要推公式，一个公式包括几十项几百项不同的项是很常见的，常常出现一页纸写不下、好几页纸都写不下的复杂公式。这些东西如果完全不能动手写的话，计算是非常困难的。霍金就没有条件做这种计算了，但他运用了一种完全新颖的几何化的思维方式从另一角度去研究。

三联生活周刊：

霍金的这种运用物理和几何方法相结合的研究方式，对物理学界来说难度有多大？

陈学雷：掌握这些理论基础的难度还是非常大的。举个例子，70年代的时候，霍金和他的一个同学乔治（George Ellis）合写了一本理论性的学术书籍《时空的大尺度结构》。按理说，书出版后，大家只要學习书的内容就可以了。但实际上大部分人看都看不懂。后来芝加哥大学的罗伯特（Robert Wald）写了一本书把这些内容简化了一些，写得更清楚简明了一些，大家才容易看懂一些。物理界的人逐渐看懂了，但看起来还是挺费劲的。我国的梁灿彬先生是罗伯特的学生，又写了更加清晰详尽的书，便于大家学习，大家去读才慢慢掌握了这些数学工具。但即使到现在，国内真正掌握这个的也没几个人。

三联生活周刊：

霍金的很多发现包括“霍金辐射”难以经过实验的验证，所以有人以此来质疑他的研究成果，这也是他没有得诺贝尔奖的一个重要原因。

陈学雷：霍金的很多发现并不是经过实验验证的东西，所以很难说。但有时候思想上的突破也许比实验上的验证更重要。举例来说，其实现在提出和研究超弦理论的人，很多人都得不了诺贝尔奖。因为我认为在我有生之年内没有什么希望能够证明超弦理论。也许它可以被证伪，但是要证实几乎是不可能的。但它是一个观念上的突破。

三联生活周刊：

物理学界在对“霍金辐射”的检验上，有过哪些尝试？

陈学雷：霍金的方法没有办法直接检验，但现在也有人用所谓模拟的方法去检验。比如“声学黑洞”。

黑洞中，光出不来，没办法模拟真正的黑洞，但可以做一个瀑布式的东西，流体往下流的时候，声音不能沿着水波穿上去，因为只要往下落的速度超过声速，声音就传不出去了。那么类似的话，应该也有霍金辐射一类的东西。但是两者还有本质的区别，只是现象上有所类似，我们不能认为它是真正的证据，只是给了我们一个类比，和真正的霍金辐射有很大区别。

三联生活周刊：

关于宇宙的开始，霍金提出了什么新的想法？

陈学雷：关于宇宙的开始，原来有几种想法。一种想法是宇宙一直都是这样，无始无终的稳恒态理论。这一理论跟观测不符合，已经被排除掉了。第二种想法是大爆炸理论，认为宇宙是有起点的。但是起点之前是什么？有两种说法。一种说法是宇宙之前没有“时间”这一概念，还有一种说宇宙之前是在收缩，收缩到最小的时候把它再涨出来。

霍金又提供了一种新的说法。他的说法比较难以解释，叫“没有边界”。没有边界，是说在宇宙早期的时候，时间和空间这个概念已经发生了变化。他引入了“虚时间”的概念，在“虚时间”里，找不到时间的方向。经过某一段演化，才出现一个方向。这个理论有点玄，现在不知道是对还是错，但是他提出了一种概念上很新颖的想法。

霍金也参与了暴胀理论的研究。暴胀理论认为宇宙极早期的时候，经过一个很高速的加速膨胀。那么这方面霍金也有一些重要的成就，但不是霍金最伟大的成就，其他科学家做得更多一些。

三联生活周刊：

在引力及其和另外三种力之间的关系上，霍金做了哪些工作？

陈学雷：他主要还是研究引力的。四种力中，引力外的其他三种力，其实现在已经了解得比较清楚。那么其他这三种力描述的东西要和引力结合成一个统一理论。你可能看到有时候霍金要有一个“万物的理论”，他也做过一些这方面的研究，但是应该说这个不是他的主要成就，或者说他曾经一度以为他做得快接近成功了，但最后发现还不是。现在认为他主要的成就应该还是在万有引力、广义相对论这方面的研究。其他三种力怎么样和万有引力统一起来，目前谁也没做到。