你认为霍金辐射只是一种假说吗？你错了
在《霍金理论系列之三：霍金辐射（黑洞蒸发）》里，我介绍了霍金赖以成名的霍金辐射是怎么提出的和怎么回事。然后在前几天看到有网友说“霍金辐射只是一种假说”。如果在以前我会觉得这话没毛病，因为我以前也是这么想的，但是在写完那篇关于霍金辐射的文章后，我忽然觉得这话不对，为什么呢？因为我发现它不是一个简单的假说，而更像是一个理论预言。可能在某种意义上，假说跟理论预言是等同的，因为大家会觉得没有得到实验验证之前的理论预言都是假说，然而假说总会给人一种不靠谱的感觉。所以我还是宁愿区分开两者。
霍金辐射只是假说吗
那么什么是假说？什么是理论预言呢？我找到几个个很有代表性的代表：平行宇宙和希格斯机制就是假说，黑洞和引力波就是理论预言！这两者在提出的时候都没有得到证实，但它们存在本质区别。平行宇宙和希格斯机制都不是在已有理论的基础上计算和推论出来的，它们都只是一种假设，用这样的假设去解决某些理论现存的问题，它们有可能是对的，但没有必然性。
而黑洞和引力波不一样，它们是根据广义相对论的引力场方程直接得到的，是理论的必然，只要广义相对论是对的，那么它们就是必然存在的！
已被证实的理论预言——引力波
假说里还有一个比较特别的例子与引力波刚好对应的，就是引力子，这同样是理论假说，因为它没有已有的可靠理论预言它存在，它纯粹是假设量子力学包含引力理论后假设出来的，是在一个假设的基础上建立的另一个假设。
我们知道现在黑洞和引力波都已经得到了证实，这是理论预言得到了证实，是理论的胜利。事实上在它们被观测到之前，科学界就没有什么人对它们的存在表示怀疑了，因为上百年的理论发展，各种观测和实验已经让人对广义相对论拥有足够的信心。
在假说的例子中，平行宇宙和引力子目前依然没有得到实验的证实，而希格斯机制随着希格斯玻色子的发现已经得到了证实，因此它现在已经不属于假说，而是一个可靠的理论的一部分了。然而它现在得到证实不影响在得到证实前它是一个假说。
在高能对撞中被证实的希格斯玻色子
那么我们现在可以来看霍金辐射了，为什么我说它不是假说而是理论预言？因为它是来自于两个可靠的理论合并后的理论预言，是该合并理论的必然结果，只要这两个理论是正确的，而它们合并的处理方式没有问题，那么霍金辐射就是必然的！在这方面，它拥有黑洞和引力波同样的身份，它不是假说，而是理论预言！
不过我们也同时知道，合并用以证明霍金辐射的两个理论虽然目前看来各自都是对的，但它们两者是存在内在矛盾的，实际上它们目前理论条件下还无法真正统一成一个理论，所以会不会霍金的这种忽略矛盾强行合并是不成立的呢？
其实上霍金很早就承认，它在把广义相对论和量子力学合并成弯曲时空量子场论时使用了多项近似，但这并不是怀疑它合理性的理由，因为即使在单纯的广义相对论研究中，近似都是被允许的，事实上黑洞和引力波的预言最初都是采用了某些简化和近似。比如预言黑洞的史瓦西度规是采用真空静态球对称下能量动量张量为0的情况下得到的，而引力波同样是在弱引力场近似下求解引力场方程得到的，因此，采用某些近似在一定程度上是允许的。
那么霍金所用的近似是否合理？由于我并不清楚他具体使用了哪些近似，所以我无法进行明确分析，不过霍金本人说过，他开始也怀疑过是不是自己所使用的多项近似存在问题，但后来他自己和其他研究者计算分析后认为，那些近似是允许的。
黑洞附近的量子涨落
虽然我不清楚它所用的近似有哪些，但是我们可以直接从这两个理论的内在矛盾上来分析他们在黑洞问题上的合并并得到霍金辐射是否合理。我们知道作为现代物理学的两大基石：广义相对论和量子力学，一个主宰着宏观世界，一个主宰着微观世界，而宏观和微观的界限在哪里？现在还不清楚。但事实上，霍金辐射产生的环境是黑洞，一般情况下黑洞属于宏观物体，对于一个由自然演化的大质量恒星坍缩而成的黑洞，它最小的视界半径大约在10km左右。因此，这种情况下是广义相对论主宰的范围内，而弯曲时空量子场论正是研究在这样的极度弯曲的时空下的量子效应。虽然我们目前没有在如此弯曲的时空内进行过量子实验，但是没有任何迹象表明在弯曲时空下量子效应会失效。事实上地球就属于一个弱引力场，而在这样的弱引力场下，量子效应是存在的。那么强引力场下难道量子效应就失效了吗？难道在高度弯曲的时空中，真空涨落就不能产生了？我们知道，黑洞视界附近的引力场属于强场，能量是极高的，事实上正是由于其能量极高才应该存在更强的能量涨落，为了保证这个强场下的能量不确定性，将需要更强的能量涨落。
这与霍金最终得到的结论相符，霍金的结论是黑洞视界的表面引力对应了黑洞的温度，也即霍金辐射的强度。黑洞表面引力越大，霍金辐射越强，也即真空的能量涨落越大！因此我认为，弯曲时空量子场论在恒星级黑洞这样的宏观尺度下应该是有效的。但随着黑洞变小，比如一个视界半径只有原子大小的黑洞，广义相对论与量子力学的矛盾将会变得不可调和，这样的黑洞周围会发生什么应该就无法通过理论预言了……
霍金
