史上最畅销科普书《时间简史》的作者，英国理论物理学家斯蒂芬·霍金一生致力研究黑洞，他几乎所有的理论贡献都与黑洞有关，而几乎所有关于黑洞的理论和定律也跟他有关，所以称他为“黑洞之王”毫不为过。而在他所有的黑洞理论里，以他名字命名的霍金辐射是他毕生最重要的理论贡献。

霍金辐射

霍金辐射对于喜欢科普的朋友一定不会陌生，为了不了解的同学方便后面的理解，我还是先来简单介绍一下。

在广义相对论里，预言存在一种天体，它表面逃逸速度等于光速，以致任何信息和能量，包括光都不能从其表面向外逃逸，这种天体被称为黑洞，它的表面称为视界面。霍金在黑洞视界面附近的弯曲时空中考虑量子力学的真空涨落（根据量子力学，真空中会不断随机生成虚粒子对，随即湮灭归零），发现由于视界附近极端弯曲的时空所产生的潮汐力有可能会把刚产生的虚粒子对瞬间分开到足够的距离，导致它们其中一个落入黑洞，由于失去湮灭对象，剩下的虚粒子会成为实粒子并获得质量，它有可能随即落入黑洞，但存在一定的概率逃离黑洞。

由于黑洞外的时空不允许负能粒子的存在，因此按一定的概率逃逸的实粒子一定是具有正质量的，基于能量守恒，落入黑洞的虚粒子成为实粒子时只能拥有负的质量，这样，黑洞就会减少了与逃逸的实粒子相同的质量，这个过程等价于逃逸的实粒子是从黑洞里辐射出来的。因此这过程可以称为黑洞辐射，也称黑洞蒸发，不过我们更多使用的是以霍金的名字命名的霍金辐射。

等待验证的霍金辐射——寻找微型黑洞

在提出了霍金辐射以后，霍金就想尽办法想要证明它，正如他自己说的，霍金辐射一旦被证明，他将获得诺贝尔奖。毫无疑问霍金辐射是诺贝尔奖级别的理论，但要证明它谈何容易，在当时别说霍金辐射，连要证明黑洞都是困难的。而对于一般黑洞，即通过恒星坍缩自然演化而成的黑洞，它的质量至少是太阳质量的3倍，其霍金辐射温度远低于宇宙微波背景辐射的温度，这基本上是无法探测的了，但是天才的霍金找到一个很好的办法——探测微型黑洞所产生的霍金辐射！

虽然通过超高能碰撞能产生微型黑洞，但目前人类所能建造的大型强子对撞机所能产生的对撞能量是远远不够的，所以霍金自然不是寄希望于这些。他所要寻找的对象是产生于宇宙大爆炸极早期形成的原初黑洞。

宇宙诞生后的第一批天体——原初黑洞

原初黑洞是根据宇宙大爆炸理论提出的一种在宇宙极早期形成的黑洞，它们几乎与宇宙同龄。它最早由前苏联物理学家雅科夫·泽利多维奇和伊戈尔·诺维科夫提出，霍金随后通过理论研究并解释了它的形成机制。根据理论，从宇宙大爆炸开始到宇宙大爆炸后1秒以内这段极短的时间内，由于宇宙处在极高的能量密度下，在极微小的密度波动下即会使局部能量密度超过了临界值从而形成视界，当视界形成，视界内的物质能量就会不可抗拒地往中心坍缩形成奇点，于是就产生了我们所说的原初黑洞。奇点一旦形成，就无法通过急剧的宇宙膨胀把它所产生的时空曲率抹平，因此，这些由于早期宇宙轻微的能量密度波动所产生的原初黑洞就会遗留下来。

由于形成时间和形成时密度波动的差异，这些原初黑洞大小不一，在理论上越早期形成的原初黑洞质量越小，越后期形成的原初黑洞质量越大。一般认为原初黑洞的质量在10^-8kg至数千个太阳质量之间，但有理论认为在最后产生窗口期（约大爆炸后1秒内）的末期能产生数十万倍太阳质量的原初黑洞。

小质量原初黑洞的末日闪光——黑洞爆炸

在这些宇宙大爆炸后1秒内所形成的原初黑洞里，理论上那些质量小于10^11kg的黑洞已经在剧烈的霍金辐射中蒸发殆尽了，而10^11kg的黑洞的蒸发时间则约等于现在的宇宙年龄，这意味着我们很可能能够观测到这些大爆炸初期产生的婴儿黑洞由于霍金辐射而毁灭的闪光。

根据霍金的理论，霍金辐射的温度与黑洞的质量成反比，也就是说黑洞越小，其辐射温度越高，温度越高质量蒸发就越快，质量蒸发越快，其质量越小，质量越小温度就越高……最终黑洞会在一次疯狂激增的高能辐射爆发中消失殆尽……

上图是镌刻在霍金墓碑上的霍金辐射温度公式，在公式里除了一堆物理常数以外，“=”号左边的“T”表示黑洞的温度，右边分母里的“M”就是黑洞的质量，两者成反比例关系。所以小黑洞的蒸发是一个加速的过程，当黑洞蒸发到末期，它会在一次急剧的加速辐射中爆炸消失，而霍金认为，我们也许能观测到这样的末期黑洞的高能霍金辐射甚至黑洞的终极爆炸，它会以高能伽马射线的形式出现在漆黑的宇宙背景中。