科普对霍金辐射的解释都是错的？霍金辐射到底怎么来的？

出现在黑洞视界面的虚粒子对，为什么总是负质量的掉进去正质量的逃逸掉呢？既然是随机的量子涨落，谁进谁出概率上难道不应该一样吗？

上回说霍金辐射类似一种热辐射，虽然时间极其漫长，但因为它的存在，终将有一天黑洞会把自己“蒸发”干净。由于霍金辐射超乎想象的微弱，以至于黑洞损失的能量还没从背景辐射中吸收的多，所以对黑洞来说现阶段仍然是安全的。

关于霍金辐射怎么来的，最常见的解释就是出现在黑洞视界面处的量子涨落。几乎所有关于霍金辐射的科普都会采用这种描述，包括霍金本人。

这个描述虽然通俗易懂很好理解，但是也正因为通俗，它并不是真实的物理图景。作为一种简化后的描述，它势必是不严谨的，这就导致不少人产生了开头那样的疑惑:量子涨落都是随机的，为什么两种粒子的结果却不随机？

在回答这个问题之前，我们先从更科学的角度重新认识下霍金辐射究竟怎么来的。

上回说霍金将量子场论应用到广义相对论中，由此得到了霍金辐射。其实在同一时期，正担任博士后的斯蒂芬?富林也在考虑弯曲时空的量子场论问题，并由此预言了一种现象，就是处于加速中的观测者会看到一种外界看不到的黑体辐射。关于该现象的理论随后被保罗?戴维斯和威廉?安鲁进一步完善，成了后来的“富林-戴维斯-安鲁效应”，也叫“安鲁效应”。

安鲁效应用最通俗的话来解释就是:假如位于真空中的你携带一支非常精确的温度计，当排除掉所有能够影响温度计读数的因素后，此时温度计的读数应该无限趋近于零，对吧？但是当你开始做加速运动后，此时温度计的读数将不再是零。也就是说:加速运动的你使得周围的空间“变热”了，而且变热的程度和你的加速度成正比。注意:此时周围空间产生的热辐射只有加速运动中的你能看到，对外界观察者来说这部分空间并没有变热。

这种匪夷所思的现象是否真的存在，目前还没有定论，因为要验证它极其困难。假如要把一个物体，让它产生足以被探测到的温度，那么我们需要在不到 1 微秒(也就是百万分之一秒)的时间内把它加速到接近光速。要达到如此高的加速度，即使目前最强大的粒子加速器也没这个能力。

那么我们先假设安鲁效应是存在的，那么霍金辐射就可以看做是一种由安鲁效应导致的现象。

对广义相对论有所了解的应该都知道“等效原理”，就是处于引力场中的观测者和处于加速运动中的观测者，两者从效果上来说是无法区分的。

因此对于处于黑洞附近的观测者来说，由于黑洞极强的引力，原本很难表现出的安鲁效应在这里得以展现。所以黑洞附近的观测者会发现自己周围的空间“变热”了，真空从原本的“没有温度”变的“有了温度”。有温度自然就有热辐射，而温度又是由黑洞的引力场产生的，因此我们可以等效的认为:黑洞正在向外辐射能量，也就是霍金辐射。

所以，霍金辐射中产生的粒子其实并不是什么正粒子、反粒子，更不是什么虚粒子，它们就是普通的光子。所谓的虚粒子只是在计算过程中用到的东西，最终反应到现实中的只有真实存在的、具有正能量的实粒子。

这些辐射出的实粒子究竟是哪来的呢？显然，它们并不是来自黑洞内部，而是来自黑洞视界面外的空间，或者说真空中。这些粒子的产生是由于黑洞附近的真空和远处的真空不一致导致的，你可以理解为一种真空态在向远处传播的过程中产生了某种激发，“逃逸”掉的正质量粒子就是这么来的。

所以开篇那个“为什么只有负质量粒子被吞掉，正质量粒子逃逸掉”的问题，你把因果关系反过来就能理解了:因为逃逸掉的粒子在视界面外，所以它才成了有正质量的实粒子；而黑洞内的那个粒子，你只能认为它有负质量，毕竟能量守恒嘛。至于那个负质量粒子是个什么东西、长什么样，这些都不重要，反正它已经和我们这个世界没有任何关系了，你就当它只是个假想的存在就好。

现在再看量子涨落这种解释是不是还挺形象的？只是这种变通后的通俗解释忽略了很多细节，所以也带来了一些问题:比如它会让人误以为这些辐射完全是从视界面发出的。其实呢，就像刚才说的，霍金辐射是黑洞周围的空间产生的，那些粒子并不只出现在视界面上，实际上它们诞生于视界面外的很大一片区域，甚至可以延伸到 10~20 倍黑洞半径的地方。由于离黑洞越远引力场越弱，辐射也从内向外逐渐减弱。随着能量被辐射慢慢带走，这片空间的曲率也随之慢慢降低，表现出来就是黑洞在慢慢变小。

总的来说，霍金辐射是种建立在数学模型上的理论，并没有对应的十分准确且形象的物理图像。如果非要给一个物理图像的话，你也可以这么去想:如果黑洞当初吞掉的是正质量粒子，那么黑洞的质量则会变大一点点，视界面会随之向外扩张一点点，这样负质量粒子的逃逸几率就会下降一点点；反之，如果吞掉的是负质量粒子，那么黑洞质量则会减小一点点，视界面会随之向内收缩一点点，这样正质量粒子的逃逸几率就会上升一点点。所以最终的效果就是:正质量粒子逃逸的更多一些。怎么样，这个解释是不是够形象了？

最后还有朋友提到:黑洞随着霍金辐射会慢慢变小，这岂不和“只增不减”的黑洞面积定理矛盾了？

其实谈不上矛盾。面积定理更多说的是黑洞的宏观表现，比如两个黑洞合并这种大尺度现象；而霍金辐射偏微观，属于量子层面的效应。就好比广义相对论和量子力学，两个理论都对，只是适用范围不同。另外，面积定理主要是针对黑洞本身来说的，而霍金辐射则要考虑到包含黑洞以及黑洞附近空间的整个系统。两种理论不在一个物理框架内，所以谈不上矛盾。

不过话说回来，无论是黑洞的表面积还是霍金辐射，它们都和同一个东西有关，就是黑洞的“温度”，只是这里的“温度”并不是传统意义上的温度。

温度的概念其实很宽泛，有时候它并不一定代表粒子的动能，比如统计力学中的温度就可以对应其他自由度。如果不考虑热平衡，你甚至可以搞一个“负温度”出来。理论上拥有“负温度”的物质并不是“比绝对零度更冷”，反而是“比任何正温度更热”。只是负温系统因为不考虑热平衡，不满足热力学第零定律，所以它的高低也就没了意义。