你認爲霍金輻射只是一種假說嗎？你錯了
在《霍金理論系列之三：霍金輻射（黑洞蒸發）》裏，我介紹了霍金賴以成名的霍金輻射是怎麼提出的和怎麼回事。然後在前幾天看到有網友說“霍金輻射只是一種假說”。如果在以前我會覺得這話沒毛病，因爲我以前也是這麼想的，但是在寫完那篇關於霍金輻射的文章後，我忽然覺得這話不對，爲什麼呢？因爲我發現它不是一個簡單的假說，而更像是一個理論預言。可能在某種意義上，假說跟理論預言是等同的，因爲大家會覺得沒有得到實驗驗證之前的理論預言都是假說，然而假說總會給人一種不靠譜的感覺。所以我還是寧願區分開兩者。
霍金輻射只是假說嗎
那麼什麼是假說？什麼是理論預言呢？我找到幾個個很有代表性的代表：平行宇宙和希格斯機制就是假說，黑洞和引力波就是理論預言！這兩者在提出的時候都沒有得到證實，但它們存在本質區別。平行宇宙和希格斯機制都不是在已有理論的基礎上計算和推論出來的，它們都只是一種假設，用這樣的假設去解決某些理論現存的問題，它們有可能是對的，但沒有必然性。
而黑洞和引力波不一樣，它們是根據廣義相對論的引力場方程直接得到的，是理論的必然，只要廣義相對論是對的，那麼它們就是必然存在的！
已被證實的理論預言——引力波
假說裏還有一個比較特別的例子與引力波剛好對應的，就是引力子，這同樣是理論假說，因爲它沒有已有的可靠理論預言它存在，它純粹是假設量子力學包含引力理論後假設出來的，是在一個假設的基礎上建立的另一個假設。
我們知道現在黑洞和引力波都已經得到了證實，這是理論預言得到了證實，是理論的勝利。事實上在它們被觀測到之前，科學界就沒有什麼人對它們的存在表示懷疑了，因爲上百年的理論發展，各種觀測和實驗已經讓人對廣義相對論擁有足夠的信心。
在假說的例子中，平行宇宙和引力子目前依然沒有得到實驗的證實，而希格斯機制隨着希格斯玻色子的發現已經得到了證實，因此它現在已經不屬於假說，而是一個可靠的理論的一部分了。然而它現在得到證實不影響在得到證實前它是一個假說。
在高能對撞中被證實的希格斯玻色子
那麼我們現在可以來看霍金輻射了，爲什麼我說它不是假說而是理論預言？因爲它是來自於兩個可靠的理論合併後的理論預言，是該合併理論的必然結果，只要這兩個理論是正確的，而它們合併的處理方式沒有問題，那麼霍金輻射就是必然的！在這方面，它擁有黑洞和引力波同樣的身份，它不是假說，而是理論預言！
不過我們也同時知道，合併用以證明霍金輻射的兩個理論雖然目前看來各自都是對的，但它們兩者是存在內在矛盾的，實際上它們目前理論條件下還無法真正統一成一個理論，所以會不會霍金的這種忽略矛盾強行合併是不成立的呢？
其實上霍金很早就承認，它在把廣義相對論和量子力學合併成彎曲時空量子場論時使用了多項近似，但這並不是懷疑它合理性的理由，因爲即使在單純的廣義相對論研究中，近似都是被允許的，事實上黑洞和引力波的預言最初都是採用了某些簡化和近似。比如預言黑洞的史瓦西度規是採用真空靜態球對稱下能量動量張量爲0的情況下得到的，而引力波同樣是在弱引力場近似下求解引力場方程得到的，因此，採用某些近似在一定程度上是允許的。
那麼霍金所用的近似是否合理？由於我並不清楚他具體使用了哪些近似，所以我無法進行明確分析，不過霍金本人說過，他開始也懷疑過是不是自己所使用的多項近似存在問題，但後來他自己和其他研究者計算分析後認爲，那些近似是允許的。
黑洞附近的量子漲落
雖然我不清楚它所用的近似有哪些，但是我們可以直接從這兩個理論的內在矛盾上來分析他們在黑洞問題上的合併並得到霍金輻射是否合理。我們知道作爲現代物理學的兩大基石：廣義相對論和量子力學，一個主宰着宏觀世界，一個主宰着微觀世界，而宏觀和微觀的界限在哪裏？現在還不清楚。但事實上，霍金輻射產生的環境是黑洞，一般情況下黑洞屬於宏觀物體，對於一個由自然演化的大質量恆星坍縮而成的黑洞，它最小的視界半徑大約在10km左右。因此，這種情況下是廣義相對論主宰的範圍內，而彎曲時空量子場論正是研究在這樣的極度彎曲的時空下的量子效應。雖然我們目前沒有在如此彎曲的時空內進行過量子實驗，但是沒有任何跡象表明在彎曲時空下量子效應會失效。事實上地球就屬於一個弱引力場，而在這樣的弱引力場下，量子效應是存在的。那麼強引力場下難道量子效應就失效了嗎？難道在高度彎曲的時空中，真空漲落就不能產生了？我們知道，黑洞視界附近的引力場屬於強場，能量是極高的，事實上正是由於其能量極高才應該存在更強的能量漲落，爲了保證這個強場下的能量不確定性，將需要更強的能量漲落。
這與霍金最終得到的結論相符，霍金的結論是黑洞視界的表面引力對應了黑洞的溫度，也即霍金輻射的強度。黑洞表面引力越大，霍金輻射越強，也即真空的能量漲落越大！因此我認爲，彎曲時空量子場論在恆星級黑洞這樣的宏觀尺度下應該是有效的。但隨着黑洞變小，比如一個視界半徑只有原子大小的黑洞，廣義相對論與量子力學的矛盾將會變得不可調和，這樣的黑洞周圍會發生什麼應該就無法通過理論預言了……
霍金
