人如其食

人们常说人如其食。因此，如果你的饮食纯粹是垃圾食品和巧克力，那么你的气色和身心健康都将与你食用以沙拉和地中海式饮食为主的健康食品时大不相同。但是，黑洞似乎并不挑食。无论是吸收广阔的星际尘埃还是吸收一整个立方光年的煎蛋，它们的质量都会无可避免地增加。实际上，在黑洞吃完丰盛的食物后，你无法分辨它吃了什么，只能知道它吃了多少(不过你可以分辨它吃的东西是否带有电荷或角动量)。你只知道饮食的数量，而不是饮食的品质。第2章中描述的“无毛定理”说，黑洞仅有很少的参数(质量、电荷和角动量)表征，因此我们无法去讨论黑洞是由什么构成的。

缺乏对黑洞所吸入的物质性质的了解，看起来似乎是个微不足道的事情，但实际却有深远影响。有关黑洞午餐菜单的信息从根本上丢失了。落入黑洞的任何事物都已放弃了自己的特性，我们无法对它进行探测，也无法了解关于它的任何细节。

黑洞与引擎

对于那些研究过热力学这门美丽的学科的人来说，以下情况再熟悉不过了。在该领域，理解信息是如何通过物理过程丢失或耗散掉是很容易的。热力学有着悠久而有趣的历史。关于热力学的现代理论始于工业革命，当时人们试图研究如何提高蒸汽机的效率。在对“能量”进行定义时，应要求其始终保持守恒，并且可以在不同形式之间进行转换，这被称为热力学第一定律。尽管你可以让能量在不同类型之间进行一些转换，有些特殊的转换却是不被允许的。例如，尽管你可以将机械功完全转换为热(每当你踩刹车令汽车完全停住时都在这样做)，但你无法将热量完全转化为机械功；不幸的是，这正是我们想用蒸汽机做到的事情。因此，火车中的蒸汽机只能将炉子中的热量部分地转化为使车轮转动的机械功。人们最终意识到，热是一种涉及原子随机运动的能量，而机械功则涉及一些诸如轮子或者活塞这种大块物质的协同运动。因此，热的本质中的一个重要部分就是随机性：由于热的物体内原子的振动，你将无法跟踪单个原子的运动轨迹。这种随机运动不可能在没有任何额外代价的情况下被非随机化。在任何孤立系统的各种物理过程中，专业名称为熵的这种随机性都不会减少，且必须始终保持不变或增加——这就是热力学第二定律。对这种现象的一个解释是，由于无法跟踪大型系统中所有原子的运动，我们所知的关于世界的信息总是在减少。随着能量从宏观尺度转移到微观尺度，也就是从简单的活塞运动转化为大量原子的随机运动，对于我们来说信息就丢失了。热力学使我们能够将这个模糊的概念完全定量化。事实证明，这种信息的丢失与我们所描述的物质落入黑洞是完全类似的。

尽管热力学是为蒸汽机服务发展出来的，但这些原理被认为适用于宇宙中的所有过程。最早认为这与黑洞有关的人之一是牛津物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)。他认为由于黑洞有自旋，我们有可能从中提取能量并将其用作某种引擎。他提出了一个巧妙的方案，将物质投向一个旋转的黑洞，使该物质的一部分带着比被扔进去时更多的能量跑出来。能量是从事件视界之外的区域提取的(实际上就是从第3章中讨论过的能层提取的)。彭罗斯过程减慢了黑洞的转速。原则上，可以通过这种方式从黑洞中提取大量的能量，但这当然还只是个思想实验，因此目前似乎还不能用它来解决地球这颗行星上迫在眉睫的能源危机!在彭罗斯的工作完成几年之后，詹姆斯·巴丁(James Bardeen)、布兰登·卡特(Brandon Carter)和斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)取得了划时代的进步，并用公式表示出了所谓的黑洞动力学三定律，而这为霍金后来对黑洞热力学的思考奠定了基础。这一思考需要用到由黑洞的质量和自旋所决定的黑洞的温度这一概念。

黑洞和熵

彭罗斯的洞察力是促使其他人思考黑洞热力学的一个重要因素。他与R.M.弗洛伊德(R. M. Floyd)一起，表明了在他所想象的过程中，黑洞事件视界的面积将趋于增加。斯蒂芬·霍金开始研究彭罗斯的巧计。这个面积以一种相当复杂的方式依赖于质量和自旋(和电荷)，但是霍金能够证明，在任何物理过程中，这个面积始终会增加或保持不变。一个有趣的效应是，如果两个黑洞合并，则合并后的黑洞的事件视界的面积大于之前的两个黑洞的事件视界面积之和(直观地看这是可靠的，因为事件视界的半径正比于质量，而众所周知表面积依赖于半径)。这与我们在热力学中所看到的熵的情况相同，因此人们开始怀疑是否黑洞的熵和它的面积有着某种联系。这不仅仅是一个有趣的类比，不是吗？约翰·惠勒的一个学生雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)走在了前面，他在自己的博士学位论文中提出了一个直接的联系。贝肯斯坦运用热力学中信息论的观点论证了黑洞事件视界的面积与它的熵成正比(这一选择意味着你要将事件视界的面积除以普朗克面积，并在乘以一个数值因子后得到熵。普朗克面积是一个物理学基本常数，是10~70平方米。这种单位的选择会使黑洞的熵特别大)。

最初，霍金并不相信贝肯斯坦的研究结果。但在进一步的验算中，他不仅证实了这个结果，而且加深了我们对黑洞热力学的原理的理解。或许我们应该去了解如何进行这些分析，这样我们既可以理解它的优势，也可以理解它的局限性。研究该领域的理想方法，是使用结合了量子力学和广义相对论的、被称为量子引力的方法，用它来研究类似黑洞中的奇点这种非常小但引力在其中有着重要作用的系统。不幸的是，我们目前还没有一个很好的量子引力理论。一个还不错的方法是使用广义相对论来计算时空如何弯曲，然后将其与量子力学一起使用，以理解粒子在弯曲时空中的行为。这就是霍金试图理解黑洞热力学的方法。

真空是空的吗

真空(也就是什么都“没有”的区域)这一概念有着悠久而曲折的历史。大多数古希腊哲学家都出于在今天看来似乎非常神秘的理由而讨厌这个想法，但还是有一小部分原子论者将真空纳入了对世界的描述。因此在科学复兴之前，真空的想法已经非常过时了。但随着1650年人们发明了空气泵，真空变得可以通过实验被证实。尽管按照现代的标准，在17世纪从容器能够抽出的空气量所提供给你的真空度仍然很差，但虚无的观念已变得更可信了。随着人们在20世纪初期证明了原子的存在毋庸置疑，验证某个空间区域中有没有原子，不仅变得无可争议，而且是不可避免的。

原子的存在被证明后不久，就出现了新的物理学理论——量子力学。这种新理论的一个令人惊讶的结论是：在短暂的瞬间内能量似乎不需要守恒。热力学第一定律是物理学中最重要，而且看上去牢不可破的原理，它坚称无论何时何地，在能量的借方和贷方之间都必须进行严格的核算。“能量必须始终保持平衡!”宇宙的会计大声疾呼。实际上，宇宙间的会计规则似乎更加宽松，并且有可能获得信贷。在短时间内借用能量是完全可以接受的，只要你随后迅速偿还即可。你所能借到的金额取决于贷款的期限，而这个量则由海森堡不确定性原理所描述。例如，即使在所谓空无一物的真空中，也可以借用足够的能量来产生粒子和反粒子对。这两个物体可能在一瞬间产生，并在持续极短时间后湮灭，而后在所允许的最长时间限内偿还能量(时间间隔越短，所能借入的能量就越多)。这样的过程每时每刻都在进行。我们甚至可以测出这个过程!现在，我们知道了真空实际上不是空的，而是由这些成对产生并消失的所谓虚粒子构成的场。因此，真空不是空无一物的不毛之地，而是充斥着量子层面的活动。

黑洞蒸发和霍金辐射

霍金使用现代关于真空的理论，也就是量子场论来研究粒子在黑洞事件视界附近的行为。他的分析是数学化的，但我们可以用一种非常简单的方式来描述它。实际上，在黑洞的事件视界附近产生的一对“虚”粒子，也就是一个粒子及其反粒子(电荷相反，质量相同)最后可能被拆散。如果这对正反粒子中的一个落入事件视界，它将陷入奇点，并且永远无法恢复。但是，其伙伴可能仍留在黑洞之外。这个粒子失去了它的虚拟伙伴，但现在是一个真实的粒子，并有逃逸的可能。如果粒子确实逃了出来而不是掉了回去，那么它就成了所谓霍金辐射的一部分。在远处的观察者看来，黑洞已经因为发射粒子而损失了质量。人们已经认识到，在考虑量子场论的情况下，黑洞并不是完全黑的，它可以辐射出粒子。这个论证也适用于光子。所以，如果霍金的论点是正确的，黑洞就会发出非常弱的光(也被称为电磁辐射)。

所有非零温的物体都会以光子的形式发出热辐射。你本人也会这样，这就是为什么即使在黑暗中你也会出现在红外摄像机上(这也正是警察和军方使用该类摄像机的原因)。物体越热，辐射的频率就越高。我们会发出红外辐射，但红热的火钳可以热到发出可见光。因为黑洞会发出霍金辐射，所以如前所述，它会具有一个温度(被称为霍金温度)，然而通常这一温度非常低。质量为太阳的100倍的黑洞，它的霍金温度比绝对零度(比水的冰点低273摄氏度)只高不到十亿分之一摄氏度!这就是霍金辐射尚未被检测到的原因之一：它太弱了。但是，人们相信它确实是存在的。

然而，霍金辐射确实对黑洞的演化有一个有趣的影响：它是导致黑洞最终死亡的罪魁祸首。再想想这两个虚粒子。从黑洞中逃出的实粒子的能量必须为正，但由于虚粒子对是从真空中自发出现的，吸入黑洞中的虚粒子必须具有负能量作为补偿。因为能量和质量是相关联的，所以这个过程的效果是黑洞净增加了负质量。因此，由于发出霍金辐射，

黑洞的质量将会降低。

由此，霍金发现了一种可以令黑洞蒸发的机制。随着时间的流逝，黑洞会慢慢发出辐射并损失质量。最初，这个过程非常缓慢。事实证明，黑洞越大，其“表面引力”越小。这是因为尽管表面引力取决于质量，但仍遵循平方反比定律。对于更大的黑洞来说，质量会更大，体积也更大。因此最终结果是，大黑洞的表面引力会很小，而这相当于温度非常低。因此，大的黑洞比小的黑洞发出的霍金辐射更少。

但是，随着黑洞蒸发并损失质量，霍金辐射的量会随着表面引力的增加而上升，因此温度也会升高。假设黑洞没有吸收任何其他的能量，这种效应将使质量损失的速度越来越快，直到黑洞在寿命尽头突然消失。因此，黑洞的寿命结束时并不会发出一声巨响，而是更加安静，发出“砰”的一声。这种蒸发过程仅适用于温度高于其周围环境温度的黑洞。在宇宙历史的当前阶段，从宇宙微波背景辐射的光谱形状测得的宇宙温度比绝对零度高2.7摄氏度，因此质量超过100万亿千克的黑洞现在不会蒸发，因为它们的温度低于其周围环境的温度。但是，当宇宙随着进一步膨胀而变得更冷时，这些质量比太阳小得多的黑洞就能蒸发了。到目前为止，宇宙中所有比这个微不足道的质量的百分之一还要小的黑洞都应该已经消失了。

黑洞信息悖论

这一切会引发的一个问题是：落入黑洞的物质中所储存的信息会怎么样？一种观点认为，即使黑洞在物质落入后马上就蒸发掉，这些信息也会永远丢失。另一种观点则认为那些信息不会丢失。后者的论证过程是，因为黑洞蒸发了，所以落入黑洞的原始物质中所包含的信息必须以某种方式存储在黑洞的辐射中。因此，如果你可以分析来自黑洞的所有霍金辐射并完全理解这些辐射的意义，你就能重建最初掉入黑洞中的所有物质的细节。关于这件事，在斯蒂芬·霍金、基普·索恩和约翰·普雷斯基尔(John Preskill)之间有一个著名的赌注。索恩和霍金支持前一种观点，而普雷斯基尔支持后一种观点。他们的赌注是，败者将输给胜者一套他所选择的百科全书。2004年，霍金被“信息可以被编码在黑洞的辐射中”的想法彻底说服了，于是他认输并给了普雷斯基尔一套关于棒球的百科全书。不过，这件事现在仍然有争议。

尽管这些理论推测都很巧妙，但值得再次说明的是，人们连黑洞发出的最普通的霍金辐射都还没有观察到。物理学的历史上充斥着古老精巧但最终被证明是谬误的理论的残骸。实验和观测经常会产生出乎意料的结果。确实如此，从我们对宏伟的天文现象的观测可知，或许根本没人预测出黑洞的基本原理。未能观测到这些微弱的霍金辐射的原因之一，是我们所知道的许多黑洞都位于宇宙中某些最亮的物体的中心。而这些黑洞实在太大了，也就是说它们都太冷不能通过霍金辐射蒸发。这些物体由于完全不同的原因而异常明亮，我们将在第6章和第8章中对此进行探讨。