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黑洞有熵,意味着它包含着巨大的微观自由度。不仅如此,黑洞还有温度,还有热辐射。这就是著名的Hawking辐射。当然,这也是与经典理论直接相悖的结论:根据经典广义相对论,黑洞不仅无毛,而且一毛不拔。
为了理解这个结果,Unruh给出了一个有趣的解释[2],现在人们称之为Unruh效应。它说,在惯性系中的观察者看来空无一物的真空,在加速的非惯性系观察者看来,却是一个有温度的“热浴”,这个加速观者将看到无数的作热运动的粒子。简单地讲:你只要在真空中兜圈子,周围就会变热。你跑得越快,温度就越高。
这个有悖直觉的结论其实并不太出乎意料。关键在于,加速观者与惯性观者所用的钟表不同:它们之间并不是简单的Lorentz变换,而是一个非平凡的广义坐标变换。另一方面,我们知道,量子场论中的真空实际上是指万物的基态:并非一无所有,而只是悄无声息而已。一旦当你进入到一个加速的参考系中,由于你所携带钟表变了节拍,原来悄无声息的基态就变得喧闹起来。这就是热背景的由来。
Unruh效应虽然是对平直空间而言,但与Hawking辐射其实是一件事情。你只需注意到,自由降落的参考系与惯性系无异:无论在下坠的电梯还是漂浮在太空中的飞行器,你在其中感受到的物理是一样的,尽管心情可能完全不同。所以,一个自由降落进黑洞的观测者就相当于惯性观察者,他不知道什么是黑洞,当他穿过黑洞边界时不会出现任何异常。自然,他也看不见黑洞辐射。然而在它看来,远处的观察者相对于它在作加速运动。而根据Unruh效用,相对于惯性系作加速运动的观察者必看到热辐射:这就是Hawking辐射