在史蒂芬·霍金的科學生涯中，最偉大的思想就是改變了我們對黑洞的認知。「霍金輻射」證明了黑洞會蒸發，也證明了黑洞並非漆黑一片。
1974年，在黑洞熵概念的啟發下，霍金將量子力學與相對論相結合，發現了黑洞會蒸發的秘密。1988年，在他那本具有裡程碑意義的科普巨著《時間簡史》中，霍金以一種通俗易懂的正反虛粒子對的概念，描述了一幅令人印象深刻的黑洞蒸發圖景：
一對在黑洞事件視界附近產生的正反虛粒子，一個不小心掉進了黑洞，而另一個卻成功逃逸，變成了一個實粒子，這就是我們現在所知道的「霍金輻射」的基本概念。
然而，這一圖景卻深深誤導了我們幾十年。雖然黑洞是在蒸發，但卻不是霍金在《時間簡史》中描述的那樣。或許是為了配合當時人們的知識儲備，霍金用了一個具象、易記的簡化圖景，科普了黑洞這一匪夷所思的性質，但如今是時候讓我們來看看它真實的模樣了。
01
霍金研究的量子引力理論相對粗狂，但它描繪的圖景確實更容易讓人們理解與接受。
在量子物理的圖景上，真空永遠不會是空的。平靜的真空本質上是一片永無安寧的、混沌無序的、沸騰的量子海洋。由於海森堡的不確定性原理，即便在沒有任何粒子的情況下，宇宙每一處的能量都會隨時間而波動，這些能量的漲落十分真實。
似浪花，似泡沫，似花火，卻比它們都更加神秘與詭異，不可描述。一種常用的可視化方法是把真空想像成真正的虛空，但是充滿著正反粒子對，它們短暫地出現又消失，在我們看不見的地方上演著一場場創生與湮滅的洪荒大戲。
而黑洞實際上是將龐大的能量無限壓縮進一個有限區域的產物，使得時空扭曲得連光都無法逃逸。任何冒險進入這個區域的事物都將被不可避免地被吸入中心奇點，而這個區域的邊界被稱為事件視界。
正是由於以上這些被廣泛接受的基礎概念，霍金給出了如下這張不太正確的黑洞輻射概念圖。
垂直方向是時間線，中心的紅管是在時間線上的奇點，黑色的圓柱區是事件視界，四周是無數的虛粒子對，掉入黑色陰影中的虛粒子將被黑洞吃掉，逃離的虛粒子轉變為實粒子，帶走真正的能量。黑洞就這樣失去了它的質量，成為霍金輻射的能量來源。
然而，如果這個解釋正確，那就意味著：
1、由於掉進黑洞與逃離黑洞完全是隨機的，因此正反虛粒子的成功逃亡率應該是一樣的；
2、所有引起黑洞蒸發的霍金輻射，都會從事件視界發出；
3、每一個輻射的量子都必須有巨大的能量，以便足以逃離黑洞，而不被黑洞吞噬。
但事實上，以上三點都不成立。霍金輻射完全由光子組成，而不是粒子和反粒子的混合物。它是從事件視界以外的一個大區域發出的，而不是在其表面。單個量子在相當大的範圍內只有很小的能量。
02
難道霍金不知道他的錯誤嗎？
哦，不！事實上在霍金的科學論文中，他並不是這樣解釋黑洞輻射現象的。霍金明確知道這個類比的缺陷，但為了更直觀地呈現給公眾，他還是選擇了這樣的類比，就好像正確的作用機制無法用語言來描述一樣。
然而，霍金所發現的真相其實並不複雜，且更具普世的啟發性。
在量子場論的概念中，真空中充滿著各種量子場。比如，產生質子的場，產生電子的場，產生中子的場……這些場疊加在我們的宇宙中，並無時無刻不存在能量的波動，這些波動正是「正反粒子對」概念的由來。因為我們所熟悉的計算手段都是基於質點計算發展起來的，所以出於計算技巧的考慮，正反粒子對作用機制更容易讓我們計算出空間的能量。
然而這其中的過程卻是虛擬的，這些正反粒子對也並不存在。它們不與真實的粒子相互作用，我們也完全檢測不到。或許我們本不應該以粒子的概念來描述它們，但這樣確實更容易計算出真空中存在的能量，我們稱為「真空能」或「零點能」。
零點能作為宇宙的基態能量，對於宇宙中的任何一個觀測者來說，無論何處應該都是一樣的，或具有相同的參考性。然而，相對論卻向我們揭示出了宇宙中最深刻的一條規則：相對運動中的觀察者，或者說在不同時空曲率中的觀察者，感知的現實會完全不一樣。
當你離宇宙中一個質量源很遠時，時空曲率可以忽略不計，這時你可以測得一個零點能。如果另一個人位於黑洞的視界，他也可以測得一個零點能。對於你或他附近的人來說，他們的測量值都是相同的。
但是，如果你試圖將你的零點能對比黑洞視界附近測得的零點能(反之亦然)，那麼數值就不一致了。零點能之所以會變化，與這兩處時空的彎曲程度差異有關。
對於這一點，霍金是心知肚明的。在1974年，他第一次推導出霍金輻射時，他計算的正是量子場中零點能的差異。黑洞那種扭曲時空的變態能力，造成了它與平坦時空之間零點能的差異。
計算的結果還表明，黑洞輻射的溫度取決於黑洞的質量——黑洞越小，輻射越強，而且黑洞輻射是一個完美的黑體輻射。
所謂黑體，是指在任何條件下，可以完全吸收任何波長的外來輻射而無任何反射的物體，而黑體輻射，就是它能將吸收的這些輻射完全轉變為熱輻射。
為了強調黑洞會輻射這個驚人的結果，霍金弱化了他計算結果中映射出的一個比較有意思的細節，而這個細節也一直未被大眾所重視，那就是黑洞所發射的輻射是從哪裡來的？
03
按霍金在《時間簡史》裡的描述，黑洞的輻射100%是從事件視界本身發射出來的，大多數圖片也是這樣顯示的，但更準確的說，黑洞輻射是通過大約10-20個史瓦西半徑（事件視界的半徑）的體積中發射出來的。在那裡，輻射隨著遠離視界面而逐漸減弱。
也就是說，黑洞輻射並不是完全源自事件視界，而是來自它周圍彎曲時空的整體，甚至產生輻射的區域並沒有明顯的界限。這會得出一個驚人的結論：所有扭曲時空的塌陷物體都應該發射霍金輻射。
一些微小的，無從察覺的霍金輻射，淹沒在了普通的熱輻射範圍內。根據計算，白矮星和中子星都會存在這種現象，因為它是一個正的，非零的值，它是可計算的，只取決於物體的質量，自旋和物理大小。
至此，你應該理解，霍金對黑洞輻射解釋的錯誤在於，他採用了一種方便計算的概念（虛粒子對的概念），把它當作相當於物理現實的概念。然而在現實中，黑洞輻射是發生在黑洞周圍的彎曲空間中的，只是由於黑洞周圍曲率梯度的不同，輻射的程度也不同，但能量都來自黑洞本身。因此，這導致黑洞的視界隨著時間慢慢縮小。
雖然黑洞同樣是在蒸發，但黑洞並不是由於一個帶有負能量的虛粒子，導致的蒸發，這僅僅是霍金為大眾想像出來的一場幻覺。
事實上，黑洞之所以蒸發，是因為量子效應試圖撫平扭曲的時空，而霍金輻射發出的能量正在慢慢地減少時空在該區域的曲率。就像一個被激蕩起漣漪的池塘，會隨著時間被撫平，只是這種持續的時間對於黑洞來說是巨大的。
總之，雖然這兩種描述的結果一樣，但展現出來的物理圖景完全不一樣。但所有這一切都不會妨礙霍金在這方面取得的巨大成就，因為正是他認識到黑洞熱力學、熵和溫度之間的深層聯繫；正是他把微觀的量子場論與宏觀的黑洞附近彎曲空間的背景結合在了一起；正是他計算出黑洞所產生的輻射的性質和能譜。
因此，黑洞蒸發的方式以他的名字命名是絕對恰當的。霍金輻射永遠是黑洞理論研究中的一個重大裡程碑。
只是隨著認知的更進一步，我們理應指出《時間簡史》中關於霍金輻射類比的缺陷。霍金輻射不是粒子和反粒子從事件視界發射出來造成的。它也不涉及向內掉落，被吸食的攜帶負能量的粒子。它甚至不是黑洞所獨有。
史蒂芬·霍金知道黑洞是如何真正蒸發的，但他確實告訴了世界一個具有誤導性，且不正確的故事。現在是該我們知道真相的時候了。