52 黑洞不光往里吞，也往外吐：霍金辐射

黑洞的引力如此强大，一旦进入黑洞的东西，就再也无法逃脱，但真的如此吗？还真不一定。根据霍金的理论，黑洞并非完全“一毛不拔”，而是存在“霍金辐射”。但霍金辐射理论目前还停留在猜想阶段。如果霍金理论被证明是正确的话，那黑洞其实是一个“灰洞”。

我们之前讨论的黑洞，只考虑了它广义相对论的性质，没有考虑它的量子力学性质。英国物理学家狄拉克的理论告诉我们，真空并非彻底空无一物，而是存在“量子涨落”。真空其实不那么平静，它一直在发生正反粒子对的生成以及湮灭。就好像海平面，你在高空看它的时候，它是非常平静的，但如果靠近了看，海平面上其实有不少小水滴在上上下下、起起伏伏地运动着。再想象一个装满水的瓶子，你从里面吸走一滴水，水瓶里就会多出一个气泡，这个气泡也会动来动去，它的行为就好像一个粒子。量子涨落说的就是，真空非空，它随机产生正反粒子对，正粒子就好像海面上的小水滴，反粒子就好像被吸走的小水滴留下来的气泡。

霍金辐射理论说的是，在黑洞的边缘，也有这样的正反粒子对在不断地产生，由于反粒子在黑洞外的正常时空不能大量存在，就好比油在水里一定不能相融一样，它必然要运动到水的表面。类似的，黑洞边缘周围产生的正反粒子对，大部分反粒子被吸收到黑洞里去了。正粒子在黑洞视界线以外，就有机会可以逃出去。这种正粒子逃出去的集体行为，从统计规律上来看，就好像黑洞在辐射一些粒子出来，这就是霍金辐射，是纯粹的量子力学效果。同时反粒子被吸收进黑洞之后，会与黑洞里的正粒子相互抵消，从而减小黑洞的质量。因此，霍金辐射的效果是，黑洞也会辐射出一些粒子并不断减小自身质量，这个行为叫作黑洞的“蒸发”。

这样看来，黑洞也不是一直在吸，它也在向外“吐”东西，“吐”的就是霍金辐射。霍金辐射的辐射量正比于黑洞的表面积，也就是一个球的表面积，是4πr2, r是黑洞半径。但黑洞往里吸东西的效率是正比于黑洞体积的，这取决于黑洞引力的大小。也就是吐的速度正比于半径的平方，吸的速度正比于半径的三次方，这样一来，半径越大，吸得就比吐得快；半径越小，吐得就比吸得快。当年瑞士的LHC大型强子对撞机开始实验前，曾经有人表示反对，因为这么高的能量密度有可能会撞出一个小黑洞，反对者担心地球都会被黑洞吸进去。当时霍金就说了，就算撞出小黑洞，由于它太小了，根据霍金辐射的理论，它很快就会蒸发掉，不用担心把地球吸进去。如果真的造出黑洞并蒸发，霍金会因此获得诺贝尔物理学奖，只可惜LHC至今都没有制造出黑洞。