黑洞火牆

霍金蒸發

黑洞的概念來自廣義相對論，因為廣義相對論清楚描述了重力對於時空的影響，才得到這些神秘天體以及事件視界的圖像。依據這個理論，只要足夠的質量聚集在一起，重力就會讓這些質量開始塌縮。沒有任何物質可以阻擋這個塌縮過程，直到所有的質量壓縮至一個點上，這個點上的時空有無窮的密度與曲率，稱為奇異點（singularity），換句話說，它就是一個黑洞。

任何穿過黑洞事件視界的太空人將無法逃離黑洞的重力，並且很快被拉至奇異點。即使是光，一旦通過事件視界就逃不開了。奇異點是非常引人注目的區域，不過事件視界倒是沒有什麼奇特之處，根據廣義相對論中所謂的「等效原理」（equivalence principle），自由落入黑洞的人在通過事件視界時，所看到的物理定律會和任何其他區域的定律一樣。理論物理學家喜歡說，現在整個太陽系或許正在落入一個巨大的黑洞中，但是我們不會察覺到任何奇怪之處。

霍金對於上述傳統黑洞圖像的挑戰起於1974年，當時他正在研究量子力學一項奇怪的預測：量子力學顯示空間中可以不斷出現一對對各式的粒子與其反粒子，然後每對粒子與反粒子又瞬間湮滅。如果這種粒子反粒子對「產生又湮滅」的現象剛好發生在黑洞事件視界之外，霍金證明了這一對粒子可以分離，一個粒子掉到奇異點，另一個則逃離黑洞，並帶走黑洞的一些質量。最終，這個稱為「霍金蒸發」（Hawking evaporation）的過程會消耗黑洞的全部質量。

對於自然界的黑洞來說，霍金蒸發全然無關緊要：這些黑洞每單位時間從周圍的氣體與塵埃所吸進的質量，將遠大於從霍金輻射所損失的質量。但是就學理而論，我們可以想像一個孤立的黑洞，周圍空無一物，所以我們有足夠的時間觀察整個蒸發過程。透過這樣的想像實驗，霍金發現了廣義相對論與量子力學之間兩個明顯的矛盾。