■有溫度的物品，會發出輻射。圖為人類會發出的紅外線輻射。 網上圖片今年4月，一個由許多天文學家組成的研究團隊發表了他們令舉世震驚的成果：他們為「無影無蹤」的黑洞拍了一張照片。不過不知大家有沒有想過，假如黑洞是黑色的，我們又如何為它們拍照？這一次的「照片」，嚴格來說，可以叫作一張「剪影」：藉由黑洞附近氣體所發出的光芒，去顯示出黑洞的形狀，就像我們站在光源之前拍照一樣。縱然如此，各位有否聽說過黑洞可能並不是完全黑暗，而是會發出輻射？這個「黑洞非黑」的想法，源於著名英國物理學家霍金，而他亦在其科普著作《時間簡史》中談論過。
不確定定理 空無一物又有能量
每個黑洞不是都有一個叫作事件視界（event horizon）的邊界，而所有跨過了這個界限的東西都無法離開這個黑洞嗎？倘若如此，為什麼黑洞又能發出輻射？要理解這些從黑洞來的「霍金輻射」，我們可能先需要一些量子物理的概念。
量子物理中有一個很有名卻也很令人迷惘的定理：不確定定理。這個不確定定理，基本上是告訴我們，在極微小的世界裡，我們不能夠很準確地知道一件物件的所有特質：最常見的演繹，就是我們無法同時精確地知道一件物品的位置和它的移動速度。
這個定理的一個結果，就是我們以為十分寧靜的空間，其實並不安寧：這個不確定定理，容許本來空無一物的空間，能夠多一丁點兒額外的能量，不過大前提是這樣的額外能量不能夠維持太久。因此空間能夠利用這些額外的能量產生一些粒子和它們的相反粒子；不過在短暫的時間內，這些「憑空而來」的粒子和反粒子又會重新互相抵消，回復本來的「虛無」。
為此，在量子理論的角度之下，看似空空蕩蕩的空間之中，其實不停地有粒子和反粒子在生成及消失，一點兒也不寧靜。
黑洞有溫度 最高仍極冷
量子理論之下如此活躍的空間，跟黑洞的輻射又有何關係？試想想在黑洞事件視界附近所生成的粒子及反粒子：它們其中的一些可能會跨過這個事件視界，掉進黑洞中不再回來了，因而無法跟本來一起生成的粒子再重聚而互相抵消。
在我們這些距離黑洞很遠的觀眾看來，就會見到粒子從黑洞方向「飛」過來，也就是黑洞發出的輻射了。根據這個理論，霍金更預測黑洞的質量會因為這些輻射而慢慢下降，到最後整個黑洞更會完全蒸發掉，不再存在了。
霍金猜想的這種輻射，為什麼好像還未觀測到？有溫度的物品，會發出輻射；反過來說，會發出輻射的黑洞，我們也可以想像它們擁有某種溫度。理論上來說，黑洞的質量愈大，它的這種溫度就愈低。較高的溫度自然較容易觀察，因此我們應該留意質量小的黑洞。不過就算是最小的黑洞，也跟太陽的質量差不多；這樣的黑洞的溫度，也只是絕對零度以上大約一千萬分之一度，自然極難量度。■張文彥博士 香港大學理學院講師
短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。