圖24-1：霍金一家 撰文 | 張?zhí)烊?/strong>責(zé)編 | 寧 茜 英國理論物理學(xué)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(xué)家之一。大眾不僅僅熟悉霍金這個(gè)名字，還幾乎將他神化，與此同時(shí)也將他對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)有所夸大。輪椅上的霍金成為許多人心目中 “天才科學(xué)家”的代表，他的《時(shí)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(duì)現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代宇宙學(xué)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(shí)的報(bào)道，不由得感覺眼界大開。于是便進(jìn)入一個(gè)誤區(qū)，將有關(guān)黑洞的研究、宇宙學(xué)大爆炸模型的建立等現(xiàn)代物理學(xué)概念，統(tǒng)統(tǒng)歸于霍金名下。許多人將霍金譽(yù)為當(dāng)代的愛因斯坦，認(rèn)為他是現(xiàn)代最偉大的物理學(xué)家。 筆者第一次見到霍金，是在八十年代初跟隨導(dǎo)師塞西爾·德威特（Cecile DeWitt-Morette，1922 – 2017）去加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）參加的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上。那時(shí)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(bào)告時(shí)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(gè)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(yù)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(jí)大腦思考深?yuàn)W的科學(xué)問題，為人類、為物理學(xué)，做出了超常的卓越貢獻(xiàn)。 不過，霍金并不是黑洞理論和宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的創(chuàng)始人。這兩個(gè)理論都是在愛因斯坦廣義相對(duì)論的框架下，由許多物理學(xué)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(jié)合在一起，這種想法也被運(yùn)用到宇宙學(xué)中，霍金的研究領(lǐng)域就是這個(gè)方面，他是提出由廣義相對(duì)論和量子力學(xué)聯(lián)合解釋的黑洞理論的第一人。在與此相關(guān)的研究中，霍金的貢獻(xiàn)主要有兩點(diǎn)：一是與英國數(shù)學(xué)物理學(xué)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(xiàng)是關(guān)于黑洞會(huì)放出輻射的理論性預(yù)測，稱之為霍金輻射（Hawking Radiation）。 對(duì)霍金輻射的解讀與量子場論的真空概念有關(guān)，不過，在解釋霍金輻射之前，我們首先介紹真空中另外兩個(gè)類似的現(xiàn)象。 動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)（dynamical Casimir effect）通過之前兩篇文章（量子效應(yīng)的宏觀體現(xiàn)——卡西米爾效應(yīng)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(duì)正反粒子。這個(gè)正反粒子對(duì)，在一定的環(huán)境下是否可以轉(zhuǎn)化成實(shí)粒子呢？這個(gè)疑問已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中被解答，被擾動(dòng)的真空中，虛粒子轉(zhuǎn)化成實(shí)粒子的現(xiàn)象已經(jīng)被觀察到。這個(gè)現(xiàn)象被稱為動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)。
圖24-2：動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)示意圖 傳統(tǒng)意義的卡西米爾力指的是相對(duì)靜止的兩平面之間的吸引，動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)中的兩面鏡子則相對(duì)而言作快速移動(dòng)（類似機(jī)械振動(dòng)）。也就是說，相對(duì)之間有一個(gè)方向大小不斷變化的加速度。 這個(gè)很快加速移動(dòng)的鏡面可以將虛光子變成真實(shí)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(fù)粒子對(duì)之間的正常時(shí)間關(guān)系，時(shí)間變長，長到虛粒子成為實(shí)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(dòng)”未必要真用機(jī)械方法實(shí)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(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)微波諧振器中的動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)，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(xué)院院報(bào)》，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）科學(xué)期刊上的一篇文章，描述了約瑟夫森材料中的動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)。 安魯效應(yīng)（Unruh effects）動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)描述的是兩面鏡子相對(duì)振動(dòng)時(shí)真空態(tài)的變化情況。如果不是來回振動(dòng)，而是將這種想法擴(kuò)展到勻加速坐標(biāo)系統(tǒng)，則得到安魯輻射。換句話說，假設(shè)Alice和Bob二人分乘兩艘相對(duì)作勻加速運(yùn)動(dòng)的飛船，他們看到的真空會(huì)是一樣的嗎？上世紀(jì)70年代幾位物理學(xué)家的研究就是為了回答這個(gè)問題?，F(xiàn)在我們將其稱為安魯效應(yīng)。有時(shí)也稱為傅苓-戴維斯-安魯效應(yīng)（Fulling-Davies-Unruh effect），因?yàn)樗梢韵氯蝗耸刻岢觯?973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(yīng)的意思是說：假設(shè)Alice的環(huán)境是真空態(tài)（沒有實(shí)粒子，溫度T=0），那么，相對(duì)于Alice作勻加速運(yùn)動(dòng)的Bob就不是處于真空態(tài)，他會(huì)感受到自己處在一個(gè)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(gè)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(xiàng)的目的是企圖得到一個(gè)穩(wěn)恒靜態(tài)的宇宙圖景，但當(dāng)天文學(xué)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(shí)之后，愛因斯坦遺憾不已，認(rèn)為是他“一生中最大的錯(cuò)誤”，要“撤回”他的宇宙常數(shù)。 這個(gè)有趣而古怪的宇宙學(xué)常數(shù)不僅多次困惑愛因斯坦，也曾經(jīng)給宇宙學(xué)家們帶來反復(fù)多變的疑難。物理學(xué)家們根據(jù)天文觀測的實(shí)際數(shù)據(jù)來調(diào)整常數(shù)的正負(fù)號(hào)，決定對(duì)它的取舍。比如，在1998年以前，人們認(rèn)為宇宙是在減速膨脹，不需要宇宙常數(shù)這一項(xiàng)，便將它的值設(shè)為0。而在1998年的觀測事實(shí)證明了宇宙是在加速膨脹之后，物理學(xué)家們又將它請(qǐng)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(gè)宇宙常數(shù)到底是個(gè)什么東西？它為什么不是零？ 物理學(xué)家們暫時(shí)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(jì)算真空能量密度卻是物理學(xué)中尚未解決的一個(gè)大問題。如果把真空能量當(dāng)作是所有已知量子場貢獻(xiàn)的零點(diǎn)能的總和的話，這樣得出來的結(jié)果比天文觀測得到的宇宙常數(shù)值大了120個(gè)數(shù)量級(jí)，這差異被稱為真空災(zāi)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(yù)測”。物理學(xué)者認(rèn)為這是當(dāng)今物理理論的重大瑕疵。 我們?cè)诖瞬辉敿?xì)介紹真空漲落與宇宙常數(shù)的關(guān)系，感興趣的讀者，可參考筆者宇宙學(xué)方面的一本科普讀物[5]。 參考資料及文獻(xiàn)：[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(xué)出版社，pp.123-148，2016年12月.
