圖24-1：霍金一家 撰文 | 張?zhí)烊?/span>責編 | 寧 茜 英國理論物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen William Hawking，1942-2018），在中國可謂是最廣為人知的現(xiàn)代科學家之一。大眾不僅僅熟悉霍金這個名字，還幾乎將他神化，與此同時也將他對物理學的貢獻有所夸大。輪椅上的霍金成為許多人心目中 “天才科學家”的代表，他的《時間簡史》和《果殼中的宇宙》等作品，成為最受歡迎的暢銷書。大眾本來就對現(xiàn)代物理學和現(xiàn)代宇宙學知之甚少，如今接觸到這些讀起來似懂非懂的科普讀物以及媒體夸張不實的報道，不由得感覺眼界大開。于是便進入一個誤區(qū)，將有關黑洞的研究、宇宙學大爆炸模型的建立等現(xiàn)代物理學概念，統(tǒng)統(tǒng)歸于霍金名下。許多人將霍金譽為當代的愛因斯坦，認為他是現(xiàn)代最偉大的物理學家。 筆者第一次見到霍金，是在八十年代初跟隨導師塞西爾·德威特（Cecile DeWitt-Morette，1922 – 2017）去加州大學圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）參加的一次學術會議上。那時的霍金大概是圖24-1所示的模樣，盡管已經(jīng)在輪椅上坐了多年，但面部表情基本正常。不過，作報告時所說的話已經(jīng)無人能聽懂，據(jù)說只有他的助理能明白，然后再翻譯給大家聽。 霍金的一生的確是一個人的精神意志戰(zhàn)勝疾病的生命奇跡。奇跡不僅在于他確診患罕見的“漸凍人癥”后，醫(yī)生預言他只能活兩年左右，他卻活了55年；還在于他能夠在輪椅上用他的超級大腦思考深奧的科學問題，為人類、為物理學，做出了超常的卓越貢獻。 不過，霍金并不是黑洞理論和宇宙標準模型的創(chuàng)始人。這兩個理論都是在愛因斯坦廣義相對論的框架下，由許多物理學家們共同努力得到的成果。之后，人們企圖將量子理論與引力理論結合在一起，這種想法也被運用到宇宙學中，霍金的研究領域就是這個方面，他是提出由廣義相對論和量子力學聯(lián)合解釋的黑洞理論的第一人。在與此相關的研究中，霍金的貢獻主要有兩點：一是與英國數(shù)學物理學家羅杰·彭羅斯（Sir Roger Penrose, 1931-）共同合作提出了黑洞的奇性定理（singularity theorem），另一項是關于黑洞會放出輻射的理論性預測，稱之為霍金輻射（Hawking Radiation）。 對霍金輻射的解讀與量子場論的真空概念有關，不過，在解釋霍金輻射之前，我們首先介紹真空中另外兩個類似的現(xiàn)象。 動態(tài)卡西米爾效應（dynamical Casimir effect）
通過之前兩篇文章（量子效應的宏觀體現(xiàn)——卡西米爾效應和虛粒子不是粒子，真空也不是空的）的介紹，我們知道真空不空，由各種虛粒子組成。換言之，真空的能量暗藏在虛粒子中，而虛粒子可以看成是瞬間生成又立刻湮滅的一對正反粒子。這個正反粒子對，在一定的環(huán)境下是否可以轉(zhuǎn)化成實粒子呢？這個疑問已經(jīng)在實驗中被解答，被擾動的真空中，虛粒子轉(zhuǎn)化成實粒子的現(xiàn)象已經(jīng)被觀察到。這個現(xiàn)象被稱為動態(tài)卡西米爾效應。 圖24-2：動態(tài)卡西米爾效應示意圖 傳統(tǒng)意義的卡西米爾力指的是相對靜止的兩平面之間的吸引，動態(tài)卡西米爾效應中的兩面鏡子則相對而言作快速移動（類似機械振動）。也就是說，相對之間有一個方向大小不斷變化的加速度。 這個很快加速移動的鏡面可以將虛光子變成真實的光子。其過程可以直觀地理解為加速度的作用破壞了瞬間產(chǎn)生瞬間湮滅的正負粒子對之間的正常時間關系，時間變長，長到虛粒子成為實粒子而被發(fā)射出來，如圖24-2右下圖所示。 所謂“鏡面的加速移動”未必要真用機械方法實現(xiàn)，可以有各種等效的模擬方法。2011年，瑞典哥德堡的研究人員實現(xiàn)了超導微波諧振器中的動態(tài)卡西米爾效應，檢測到從真空中產(chǎn)生的微波光子[1]。2013年3月，PNAS（《美國科學院院報》，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）科學期刊上的一篇文章，描述了約瑟夫森材料中的動態(tài)卡西米爾效應。 安魯效應（Unruh effects）
動態(tài)卡西米爾效應描述的是兩面鏡子相對振動時真空態(tài)的變化情況。如果不是來回振動，而是將這種想法擴展到勻加速坐標系統(tǒng)，則得到安魯輻射。換句話說，假設Alice和Bob二人分乘兩艘相對作勻加速運動的飛船，他們看到的真空會是一樣的嗎？上世紀70年代幾位物理學家的研究就是為了回答這個問題?，F(xiàn)在我們將其稱為安魯效應。有時也稱為傅苓-戴維斯-安魯效應（Fulling-Davies-Unruh effect），因為它由以下三位人士提出：1973年史蒂芬·傅苓（Stephen Albert Fulling，1945-）、1975年保羅·戴維斯（Paul Charles William Davies，1946-）以及1976年的威廉·安魯（William G. Unruh，1945-）[2]。 安魯效應的意思是說：假設Alice的環(huán)境是真空態(tài)（沒有實粒子，溫度T=0），那么，相對于Alice作勻加速運動的Bob就不是處于真空態(tài)，他會感受到自己處在一個溫暖的宇宙背景中，如圖24-3所示。Bob可以觀測到慣性觀察者Alice無法看到的黑體輻射。他可測到一個與其加速度a成正比的且不為零的溫度T，見圖中的公式 。換言之，他的周圍環(huán)境不是只有虛粒子的“真空”！
圖24-5：愛因斯坦的引力場方程 方程中的Λ即為宇宙常數(shù)。愛因斯坦最早加上這一項的目的是企圖得到一個穩(wěn)恒靜態(tài)的宇宙圖景，但當天文學家愛德溫·哈勃（Edwin Hubble，1889-1953）觀察到宇宙并非處于穩(wěn)恒靜態(tài)，而是在不斷膨脹的事實之后，愛因斯坦遺憾不已，認為是他“一生中最大的錯誤”，要“撤回”他的宇宙常數(shù)。 這個有趣而古怪的宇宙學常數(shù)不僅多次困惑愛因斯坦，也曾經(jīng)給宇宙學家們帶來反復多變的疑難。物理學家們根據(jù)天文觀測的實際數(shù)據(jù)來調(diào)整常數(shù)的正負號，決定對它的取舍。比如，在1998年以前，人們認為宇宙是在減速膨脹，不需要宇宙常數(shù)這一項，便將它的值設為0。而在1998年的觀測事實證明了宇宙是在加速膨脹之后，物理學家們又將它請了回來，用以解釋宇宙為什么加速膨脹。但是，問題又來了：這個宇宙常數(shù)到底是個什么東西？它為什么不是零？ 物理學家們暫時將宇宙常數(shù)解釋為真空能量，于是，宇宙常數(shù)變成了“暗能量”的同義詞。但怎樣計算真空能量密度卻是物理學中尚未解決的一個大問題。如果把真空能量當作是所有已知量子場貢獻的零點能的總和的話，這樣得出來的結果比天文觀測得到的宇宙常數(shù)值大了120個數(shù)量級，這差異被稱為真空災變！因此，這種“暗能量即真空能”的等同很難令人信服，被驚嘆為“物理史上最差勁的理論預測”。物理學者認為這是當今物理理論的重大瑕疵。 我們在此不詳細介紹真空漲落與宇宙常數(shù)的關系，感興趣的讀者，可參考筆者宇宙學方面的一本科普讀物[5]。 參考資料及文獻：[1] Wilson, C. M.; Johansson, G.; Pourkabirian, A.; Simoen, M.; Johansson, J. R.; Duty, T.; Nori, F.; Delsing, P. (2011). "Observation of the Dynamical Casimir Effect in a Superconducting Circuit". Nature. 479 (7373): 376–379.[2] William G. Unruh: Notes on Black Hole Evaporation. Phys. Rev. D 14 870, 1976[3] Hawking,S.W. (1974). "Black hole explosions?". Nature 248 (5443): 30–31.[4] [美]倫納德·薩斯坎德著，李新洲等譯，《黑洞戰(zhàn)爭》[M]，湖南科技出版社，2010年, pp. 155-210。[5] 張?zhí)烊? 永恒的誘惑-宇宙之謎[M].北京:清華大學出版社，pp.123-148，2016年12月.
