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黑洞輻射

事實上,黑洞能輻射的第一個線索來自澤爾多維奇,那是1971年6月,在萊蘇什講習班的14個月以前。然而,沒人注意它。為此我感到慚愧,因為在他向根本性的新思想摸索著前進時,我是他的朋友,還跟他爭論過。

那時,澤爾多維奇第二次請我到莫斯科在他的小組裡做幾個星期的研究。12兩年前,我第一次去時,莫斯科住房正緊,澤爾多維奇為我在十月廣場附近的夏伯羅夫卡街弄了一套寬敞的私宅。當我一些朋友正與他們的妻兒和父母擠在一間屋——是一間屋,而不是帶一間臥室的套房——時,我卻在獨自享受著一間臥室,一間起居室,一間廚房,一台電視,還有精製的瓷器。而這一次我住的簡陋多了,住在以前那所房子下一家蘇聯科學院旅店的單人房間裡。

一天早晨6點半,我被澤爾多維奇的電話吵醒了。「快來我家,基普!我有了旋轉黑洞的新想法!」我知道早點是吃不了了,咖啡、茶和餡餅(用牛肉末、魚、白菜、果醬和雞蛋做的一種酥油餅)都得等。我往臉上潑點兒涼水,套上衣服,抓起公文包,衝下五段樓梯來到街上,擠上一輛擁擠的無軌電車,然後又轉車,在列寧墓的沃羅別夫斯科耶·紹瑟街2B號下了車,這是在克里姆林宮以南10公里的地方。緊鄰的4號住著柯錫金(Alexei Kosygin),前蘇聯總理。1

我走進八尺高鐵柵欄的一扇打開的門,來到一個四畝大的綠樹蔭蔭的園子,周圍繞著巨大的矮墩墩的房子,2B和連在一起的2A。牆上的黃色圖畫已經有些脫落。因為澤爾多維奇對前蘇聯核力量所做出的貢獻(第6章),他得到2B的8間房,即二樓西南角的四分之一。在莫斯科,這套房子是很大的,有1500平方英尺。他跟夫人帕夫洛娃(Varara Pavlova)、一個女兒和女婿住在一起。

澤爾多維奇在門口等我,帶著熱情的笑容,後面房間裡傳出一家人忙碌的聲音。我脫了鞋,套上門邊堆著的拖鞋,跟他走進陳舊而舒適的起居室兼飯廳,屋裡的沙發和椅子上堆滿了東西;一面牆上掛著世界地圖,澤爾多維奇去過的地方(倫敦、普林斯頓、北京、孟買、東京,還有很多)和前蘇聯政府因為害怕洩露核機密而不讓他去的地方,都釘著彩色大頭釘。

他兩眼閃著光,13等我坐在屋子中央長長的飯桌旁,他宣佈,「旋轉的黑洞一定會輻射。離開的輻射將反作用在黑洞上,逐漸使旋轉變慢,然後停下來。旋轉沒有了,輻射也就停止,而黑洞此後將永遠處於無旋轉的理想球形狀態。」

我堅決地說:「這是我所聽過的最瘋狂的事情。」(我不喜歡和別人公開對抗,但澤爾多維奇卻是在對抗中成熟起來的,他需要它,期待它;他把我帶到莫斯科來,部分就是想讓我充當他的爭論對手,通過與我爭論來檢驗他的思想。)我問,「你怎麼會說出這麼瘋的話來?誰都知道,輻射能流進黑洞,但沒有什麼東西,也沒有輻射能從那兒出來。」

澤爾多維奇解釋了他的理由:「旋轉的金屬球會發出電磁輻射,所以同樣的,旋轉的黑洞應該發射引力波。」

我想,這是典型的澤爾多維奇式的證明。純粹的物理直覺,沒有任何基礎,不過靠一些類比罷了。澤爾多維奇不太懂廣義相對論,不會計算黑洞該做什麼,所以他去計算旋轉金屬球的行為,然後斷言黑洞會有類似行為,然後,大清早6點半把我叫來,檢驗他的論斷。

不過,我已經見識過澤爾多維奇在比這更沒有基礎的情況下的發現了。例如,他1965年宣稱,有山隆起的恆星在坍縮時會產生完全球狀的黑洞(第7章),後來證明這個論斷是對的,還預言了黑洞是無毛的。於是,我小心地問,「我不知道旋轉的金屬球會發出輻射。它是怎麼輻射的呢?」

「這種輻射很弱,」澤爾多維奇解釋,「沒人注意過,以前也沒人預言。但是,它一定會發生。當電磁真空漲落刺激金屬球時,它會輻射的。同樣,當引力真空漲落擦過視界時,黑洞也會輻射。」

我在1971年真是太笨了,沒能認識到這個論斷的深刻意義,不過幾年後它就清楚了。以前所有的黑洞理論研究都以愛因斯坦的廣義相對論定律為基礎,那些「黑洞不能輻射」的研究當然是不容置疑的。然而,我們理論家知道,廣義相對論只是某個真正的引力定律的近似——它處理黑洞問題我們認為應該是很好的,但近似終歸是近似。2我們確信,真正的定律一定是量子力學的,所以我們稱它們是量子引力的定律。儘管這些量子引力的定律還只有些模糊認識,惠勒在50年代就得出了它們必然存在著引力真空漲落,一種小小的不可預料的時空曲率波動,即使時空完全沒有物質,即使有人設法將引力波都從時空中拿走了,就是說,時空成了理想真空時,它仍然存在(卡片12.4)。澤爾多維奇說的,是他根據電磁學的類比預見了這些引力真空漲落會導致旋轉黑洞輻射。「但是怎麼輻射呢?」我還是很迷惑地問他。

卡片12.4 真空漲落

電磁波和引力波的真空漲落,相當於電子的「幽閉簡並運動」。

回想一下(第4章),如果把電子限在一個小空間區域裡,不論費多大氣力讓它慢慢停下來,量子力學定律都強迫它繼續隨機地不可預測地運動。這就是產生白矮星賴以抵抗引力擠壓的壓力的幽閉簡並運動。

同樣,如果有人想把電磁和引力振蕩完全從某個空間區域拿走,他也是永遠不會成功的。量子力學定律認為總還存在一些隨機的不可預測的振蕩,也就是隨機的不可預測的電磁波和引力波。這就是(照澤爾多維奇的觀點)「刺激」旋轉金屬球和黑洞並導致輻射的真空漲落。

真空漲落不能通過拿走它們的能量而讓它們停下來,因為總體說來它們本沒有能量。在某些位置和某些時刻,它們可能有從別的地方「借來的」正能量,結果那些地方出現負能量。就像銀行不會讓債欠得太久,物理學定律迫使負能區域很快從正能的鄰居那兒吸引能量,從而還原到零或得到些正能量。這樣持續不斷的隨機的能量借還過程就驅動著真空漲落。

電子所限區域越小,它的簡並運動越強(第4章);同樣,電磁波和引力波的真空漲落在小區域比在大區域更強,也就是,短波比長波的漲落強。在13章我們會看到,這對黑洞中心的奇點的性質有深刻意義。

在日常的物理中,電磁真空漲落是很普遍的,我們有良好的認識。例如,在螢光燈管的運行中,它們起著關鍵的作用。電荷激發燈管裡的水銀蒸氣原子,然後隨機的電磁真空漲落又刺激每個被激發的原子,使它在某一隨機時刻以電磁波(光子)*形式釋放出它的激發能量。由於最初認識這種發射時,物理學家還不知道它是真空漲落誘發的,所以稱它是自發的發射。又比如,在激光器裡,隨機電磁真空漲落與相干的激光發生干涉(卡片10.3意義上的干涉),從而以一種不可預知的方式調節激光頻率。這樣,光子將在隨機的不可預料的時刻從激光器發出來,而不像原來那樣均勻地一個接著一個地出來——這種現象叫做光子閃動噪聲。

與電磁波不同,引力的真空漲落還從來沒有在實驗上看到。憑90年代的技術和努力,應該能從黑洞碰撞中探測到高能的引力波(第10章),但不一定能發現微弱得多的真空漲落。

*塗在管壁的磷光吸收這個「初級」光子,然後發出「次級」光子,就是我們看到的光。

澤爾多維奇站起來,快步走到地圖對面牆上1平方米的黑板前,一邊畫草圖一邊解釋。他畫的(圖12.1)是一列流向一個旋轉物體的波,從表面滑過,很快流走了。澤爾多維奇說,波可以是電磁的,旋轉體是金屬球;波也可以是引力的,旋轉體為黑洞。

澤爾多維奇解釋,流過來的波並不是「真正的」波,而是真空漲落。漲落的波從旋轉體周圍掃過時,就像一隊溜冰者轉彎兒,在外面的人轉彎速度大,裡面的人慢得多;同樣,波的外面部分以很高的速度(光速)運動,而裡面的部分比光慢得多,實際上比物體表面旋轉還慢。3澤爾多維奇稱,在這樣的情況下,就像小孩兒快速甩動繩子為投石器加速那樣,快速旋轉的物體將抓著引力波,令它加速。加速過程中,波會從物體的旋轉能中汲取一部分,將自己放大。長大的那部分波是帶正能量的「真」波,而原來的沒有長大的部分還是總能量為零的真空漲落(卡片12.4)。這樣,旋轉物體把真空漲落當成一種產生真實波動的催化劑,當成真實波動形態的模板。澤爾多維奇指出,真空漲落導致振動分子「自發地」發出光,也是類似的行為(卡片12.4)。

圖12.1 真空漲落導致旋轉物體輻射的澤爾多維奇機制。

澤爾多維奇告訴我,他已經用這種方法證明了旋轉金屬球會輻射,證明的基礎是量子電動力學的定律——從量子力學與麥克斯韋電磁定律的結合產生出的一套成熟的定律。雖然他還沒有同樣地證明旋轉黑洞的輻射,但通過類比他確信那是一定的。實際上他斷言,旋轉黑洞不但輻射引力波,也輻射電磁波(光子)、4中微子以及可能在自然界存在的所有其他形式的輻射。

我確信,澤爾多維奇錯了。談了幾個小時,我還是不同意他的觀點。澤爾多維奇和我打賭。他曾在海明威(Ernest Heming-way)小說裡讀到過「白馬」威士忌,那是很講究、很地道的名牌威士忌。如果物理學定律的詳細計算證明旋轉黑洞要輻射,那麼我從美國給他帶一瓶「白馬」來;如果計算表明沒有這樣的輻射,他就給我一瓶喬治時代的優質白蘭地。

我願跟他賭,但我也知道不會很快分出輸贏,還得等更深刻地認識廣義相對論和量子力學的結合,1971年還沒有人做得到。

打賭的事情我很快就忘了。我記性不好,而且在研究別的東西。但澤爾多維奇沒忘。在和我那次討論的幾星期後,他把論證寫出來拿去發表。假如是別人寫的,審稿人一定會拒絕的;他的論證試探性太強,不會讓人接受的。但澤爾多維奇的名頭太響,文章還是發了——幾乎沒人注意它。14黑洞輻射根本就是難以置信的。

一年後,在萊蘇什討論班上,我們「專家」依然沒重視澤爾多維奇的思想。我想甚至沒有誰提過一次。5

1973年9月,我又來到莫斯科,這次是陪霍金和他的夫人簡。這是霍金上學以來第一次來莫斯科。他、簡和澤爾多維奇(我們的前蘇聯主人)對霍金在莫斯科的特殊需要感到難辦,就想到最好由既熟悉莫斯科,又是霍金和簡的朋友的我來作伴,既做物理學會談的翻譯,又做導遊。

我們住在羅西婭賓館,離克里姆林宮附近的紅場不遠。雖然幾乎每天都去各學校演講或者參觀博物館,聽歌劇,看芭蕾,我們還是在霍金的賓館套房裡,伴著窗外的聖巴西勒教堂,同許多主要的蘇聯物理學家進行了交流。他們一個個來到賓館,向霍金表示敬意,與他交談。

澤爾多維奇和他的研究生斯塔羅賓斯基(Alexi Starobinsky)是霍金賓館的常客。霍金髮覺他們也跟他一樣吸引人。一次,斯塔羅賓斯基向他講述了澤爾多維奇的旋轉黑洞應該輻射的猜想,還講了他和澤爾多維奇(以德維特、帕克等人以前的開拓性研究為基礎)建立的量子力學與廣義相對論的部分結合,然後說,這種部分結合證明了旋轉黑洞的確會輻射。15澤爾多維奇很可能要贏我了。

左:1972年夏,S·霍金在萊蘇什講習班上聽課。右:1971年夏,Y·B·澤爾多維奇在家中的黑板前。[K·索恩攝]

在莫斯科從別人的談話瞭解的東西中,這一點是最令霍金感興趣的。不過,他也懷疑澤爾多維奇和斯塔羅賓斯基結合廣義相對論定律和量子力學定律的方式,所以,一回到劍橋,他就開始自己去結合,並用它來檢驗澤爾多維奇的旋轉黑洞會輻射的論斷。

同時,有幾個美國物理學家也正做著同樣的事情,其中有昂魯什(William Unruh,惠勒最近的學生)和帕奇(Don Page,我的學生),他們在1974年分別以自己的方式初步證實了澤爾多維奇的預言:旋轉的黑洞將發出輻射,直到所有旋轉能耗盡,輻射才會停止。看來,我得承認自己輸了。

[1] 紹瑟街從那時起改名為柯錫金街,建築物也重新編了號。80年代末,戈爾巴喬夫曾住10號,在澤爾多維奇西邊,隔著幾道門。

[2] 見第1章最後一節,「物理學定律的本質」。

[3] 用專業術語說,外面部分在「輻射帶」,而裡面部分在「鄰近帶」。

[4] 回想一下,光子和電磁波是同一事物的不同方面;見卡片4.1中關於波粒二象性的討論。

[5] 同時,米斯納在美國證明,真實的波(與澤爾多維奇的真空漲落相反)能被旋轉黑洞以類似於圖12.2的方式放大,這種放大過程——米斯納稱它為「超輻射」——激起了很大興趣。照此看來,人們對澤爾多維奇的輻射缺乏興趣就更令人深思了。