談談霍金輻射 (Hawking Radiation)

於1974年，Stephen Hawking提出了黑洞縮減的見解。本質上，靠近黑洞的水平介面 (Black hole`s horizon或Event horizon)的真空波動 (vacuum fluctuations) 產生粒子、反粒子對。

每對中的一個粒子陷入黑洞中，而另一個粒子脫離。由於脫離的粒子具有能量，因而黑洞勢必喪失能量。霍金輻射(Hawking radiation)是由於量子效應，被斷言由黑洞發出，具有黑體光譜 (black body spectrum) 的熱輻射。黑體溫度 (blackbody temperature) 與黑洞質量成反比，能被歸因於上述過程。由於溫度很低，人們不易直接觀測這種輻射。

       

不過，加拿大英屬哥倫比亞大學  的 William Unruh論證了，靠近黑洞的波動與活動流體之聲波兩者變化間的相似性。目前，該大學的物理學家 Silke Weinfurtner、Matthew Penrice與

Unruh，及工程師 Edmund Tedford 與 Gregory Lawrence，業已利用另一種類似的體系─表面波 (surface waves)，來研究霍金輻射過程 (the Hawking process)。

他們將狀若飛機的流線型物體置入流水道中，來產生高速水流的區域。下游產生的長波長表面波會朝上游的上述區域傳播，不過受到障礙物的阻擾，結果轉變成短波長的波動。障礙物起了如同能使輻射脫離，卻無法進入之所謂白洞 (white hole) 的作用。

( 白洞是物質及光無法從外部進入，卻能從內部脫離的一種假設性區域。)

上述轉變類似受激放射的情況，結果有關經轉變之波動幅度的測定，與預期的熱散佈相一致。此外，儘管該體系的諸多非線性、紊流及黏性 (viscosity)，不過連同先前不同團隊獲得的數值，該項新研究結果證實了霍金輻射的一般性質。

霍金的分析馬上就成為第一個能令人信服的量子引力理論，不過目前還沒有實際觀察到霍金輻射的存在。在2008年6月NASA發射了GLAST衛星，它可以尋找蒸發的黑洞中γ射線的閃光。而在額外維度理論，CERN的大型強子對撞器，也有可能創造出會自我消失的微黑洞。

黑洞是一個有無限地心吸力的地方，它周圍的物質會被重力拉進去。以古典力學上來說，它的引力超強，甚至電磁輻射波也無法逃脫。目前雖尚未瞭解如何統一重力與量子力學，但遠離黑洞之處的重力效應，卻微弱到依然可以使計算結果，符合彎曲時空的量子場論框架。

霍金表示，量子效應允許黑洞發射精確的黑體輻射。這電磁輻射彷彿被一個溫度和黑洞的質量成反比的黑體發出.

舉例來說，一太陽品質的黑洞的溫度僅有60毫微開爾文；事實上，黑洞會吸收比自身發射要多得多的宇宙微波背景輻射。一個品質為4.5 × 10^22 kg的黑洞（與月球品質相近）的溫度

會保持在2.7開爾文，並吸收與其發射數量相等的輻射。更小的原始黑洞（primordial black holes）則會散發比自身吸收更多的輻射，因此逐漸失去品質。

在沒有霍金輻射的概念以前，物理界有一個難題，就是如果把有很多熵的東西丟進黑洞裡，那豈不是把那些熵給消滅掉了嗎？但是熵在宇宙裡是永增不減的，因此這代表黑洞應該也有很多熵，而有熵的任何東西都會釋放黑體輻射，因此黑洞也會釋放黑體輻射？

但釋放的機制又如何？

霍金輻射就解釋了黑洞釋放黑體輻射的機制。根據海森堡測不准原理，在真空中，會瞬間憑空且自然地產生許多粒子、反粒子（虛粒子）對，並且在極短的時間內成對湮滅，在宏觀上上沒有品質產生，如果一個粒子對在黑洞附近形成，由於黑洞的引力場很強，導致配對誕生的正反粒子被扯開，有可能有一個跌入事件視界，而另一個沒有，從而被黑洞的引力提昇成實粒子。

但這樣就違反了能量守恆定律，所以另一個粒子的質量，一定是從黑洞本身的質量而來 — 

這就是黑洞釋放輻射的一個簡化解釋。

基本上，大質量的黑洞可存活比較久一些。一般恒星死亡產生的黑洞可以活1066年，而星系黑洞則可以活1090年，這樣也可以說明為什麼我們無法觀測到宇宙誕生時所產生的微黑洞，因為它們已經蒸發殆盡。

黑洞是太空中引力極強的區域 ﹔無論是巨大的星體，或是細小的星塵和氣體，甚至是光，一遇上黑洞都會被吸進去，消失無蹤。霍金曾在1975年提出，黑洞會釋出微量的輻射（科學界及後稱之為「霍金輻射」），所有黑洞最終亦會被「蒸發」掉。霍金同時指出，人們不能從「霍金輻射」知道黑洞內有什麼物質﹔當黑洞被蒸發掉時，洞內的所有物質都會一併消失。

　　然而，根據量子力學的定律，太空中的物質是不可能完全消失的。霍金在過去30年嘗試以「黑洞的量子物理有所不同」來解釋理論上的矛盾，但很多物理學家都質疑這種說法。

如今霍金終於得出一個新解釋﹕

雖然較大型的物質，被吸進黑洞後肯定會永遠消失，但細小的物質，仍能在幾十億年後慢慢被釋放出來。