霍金在黑洞方面的工作

谈起黑洞人们一定会想到霍金，霍金是当今黑洞领域的一个代表人物。除了奇点定理，霍金在黑洞研究方面还得出以下结果。

霍金辐射：1971年，苏联物理学家泽尔多维奇发表一篇论文宣布：“旋转的黑洞一定会辐射，这辐射将反作用到黑洞上，使旋转变慢，然后停下来，旋转停止，辐射也将停止。”1973年9月，霍金访问莫斯科，和泽尔多维奇等人讨论黑洞问题，霍金对这次访问是这样记述的：“他们说服我，按照量子力学不确定原理，旋转黑洞应该产生并辐射粒子。在物理基础上，我相信他们的论点，但是不喜欢他们计算辐射所用的数学方法。所以我着手设计一种更好的数学处理方法，并于1973年11月底在牛津的一次非正式讨论会上将其公布于众。”

1974年，霍金在《自然》杂志上宣布一个预言：“旋转的黑洞必然会辐射并减慢旋转，然而，当黑洞停止旋转时，辐射仍然不会停止。”

黑洞辐射的原因是真空的量子涨落。这涨落不断产生和湮灭正反粒子对，若其中一个落入黑洞，而另一个粒子失去了与它湮灭的伙伴，则有可能通过量子效应逃离黑洞，而辐射出来。后来，人们把黑洞辐射称为霍金辐射。

黑洞辐射是霍金继奇点定理之后又一个引人瞩目的工作，霍金对此是这样评述的：“黑洞辐射的思想是第一个这样的例子，它以基本的方式依赖于本世纪两个伟大理论，即广义相对论和量子力学所作的预言。因为它推翻了已有的观点，所以一开始就引起了许多反对：‘黑洞怎么会辐射东西出来？’当我在牛津附近的卢瑟福－阿普顿实验室的一次会议上，第一次宣布我的计算结果时，受到了普遍质疑。我讲演结束后，会议主席伦敦国王学院的约翰·泰勒宣布这一切都是毫无意义的。他甚至为此还写了一篇论文。然而，最终包括约翰·泰勒在内的大部分人都得出结论：如果我们关于广义相对论和量子力学的观念是正确的，那么黑洞必然像热体那样辐射。”

黑洞无毛定理：这个问题前面提到过，1973年，霍金和卡特尔等人证明了黑洞无毛定理：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由质量、角动量、电荷唯一确定。”即当黑洞形成之后，外部观察者只能感知这3个物理量，其他一切信息都丧失了，黑洞一词的命名者惠勒戏称这特性为“黑洞无毛”。

面积定理和黑洞的熵：20世纪70年代初，霍金证明了面积定理，即“黑洞视界的面积不会减小”。1972年，贝肯斯坦在面积定理启发下，提出：“黑洞表面积相当于它的熵”。后来霍金和吉本斯证明了这一猜想，并利用它研究了黑洞动力学定律与热力学定律的相似性。热力学里一个系统的状态一般可以由两个基本参数来表征：温度和熵。热力学定律表述的正是其他宏观参量，如能量、体积或压强等，在系统的转换中如何作为温度和熵的函数而变化。与热力学相类似，一个黑洞的动力学状态也由两个参数来表征：一个是黑洞的面积，一个是表面引力，黑洞熵由其表面积给出，黑洞温度由其表面引力决定。

从20世纪60年代中期开始，随着克尔解的得出，中子星的发现和霍金奇点定理的证明，使大多数物理学家改变了观点，他们开始相信黑洞是有可能存在的，此后黑洞逐渐成为物理学中最热门的一个领域。目前，已有大量的与黑洞有关的书籍出版，在这些书中对20世纪60年代之后的黑洞研究都做了详细的介绍。考虑到上述情况，有关黑洞研究的第三阶段，以及其他人的研究工作就介绍到这里，下面转而介绍笔者的工作。