黑洞會釋放它們的能量嗎？我們能知道黑洞吸收了什麼嗎？

2020-09-07 天文在線

想拿回不小心掉進黑洞的《戰爭與和平》嗎？至少還得等數百億年

（圖解：2019年4月10日公布的黑洞照片，位於M87星系中心）

物理學家說：在任何合理的意義上，這兩個問題的答案都是「不」，然而，理論上，答案是「能」。

黑洞通過「霍金輻射」釋放能量，這是廣義相對論、量子力學和熱力學的驚人結合。霍金（以及之後的科學家）預言黑洞可以產生黑體光譜，那就是說，它們會像人、太陽，甚至任何具有溫度的物體一樣向外發出輻射。霍金還計算出，輻射會使黑洞達到怎樣的溫度。他發現對於一個質量為M的黑洞，有如下公式：

，在此公式中，除了質量M外，其他所有量均為物理常量（甚至8也是，就看你如何理解它）。代入所有常量，我們將得到以下公式：

，其中，質量M的單位是千克（kg），溫度T的單位是開爾文（K）。「

」可能會讓人們認為黑洞的溫度很高，但實際上，較小的黑洞（就像我們在歐洲核子中心見到的那樣）溫度極高。然而，如果太陽（質量為

kg）是一個黑洞，它的溫度只會達到大約60納開爾文!舔它一口，你的舌頭就會凍成冰棍。 它的溫度約為2.7開爾文，那就意味著所有理論上可以形成的黑洞（

kg，或大於幾個太陽質量）它們的溫度都將遠遠低於2.7開爾文。實際上，由於

黑洞的溫度低於2.7K，它們吸收的能量將多於釋放的能量。宇宙中現存的黑洞，只有溫度高於2.7K才能收縮。所以它們的質量至多為

kg，或者大約為月球質量的一半。當然你也可以等上幾萬億年來等到宇宙冷卻下來，之後黑洞才能蒸發。

(圖解：黑洞破壞路過的恆星 圖源：NASA)

至於問題的後一半，廣義相對論表明，當物體落入黑洞時，它們就消失了，一旦它們落入黑洞，我們根本無法區分一噸 和一噸 。這讓物理學家很不舒服，因為除了所有通常的保守法（能量、動量、毒品政策）量子物理學家還有

（圖解：大麥哲倫雲面前的黑洞（中心）的模擬視圖 圖源：wikipedia）

幸運的是，他們還可以利用量子糾纏。因此如果你向黑洞內扔一本《戰爭與和平》，黑洞就會輻射出熱，這是最為隨即的輻射方式，可能會吞掉託爾斯泰所有的作品。如果你一次只觀測黑洞發射出的一個光子，你幾乎什麼信息都得不到，但無論如何，你可以收集從黑洞發射出的所有光子並使它們互相干涉，然後分析出它們是怎樣糾纏的。理論上，你就可以推導出那些物體落入了黑洞。然而，你得收集到至少一半的光子，才能說明它們攜帶了信息。

黑洞在它們輻射的所有光子中通過量子糾纏儲存信息，這是黑洞的圖景。知道了這一點，黑洞就突然變得有意思多了。不用知道太多細節，如果你有N個非糾纏態的雙態粒子，你會擁有N比特的信息。但是如果你有N個糾纏態的雙態粒子，你會擁有2N比特的信息。（量子）糾纏為我們提供了跟多可以儲存信息的空間。

你會突然發現宇宙中大多數的熵都存在於黑洞中，而且理論上講，一個精心構建的黑洞可能是可以被創造出的最快最強大的計算機。

的確，我們必須等到宇宙完全冷卻，黑洞才會釋放它全部的能量。我們可以知道什麼物體進入了黑洞，但我們必須等到黑洞完全蒸發（宇宙冷卻後），才能無幹擾地捕捉從原來的黑洞中發射出的幾乎所有粒子。

作者: The Physicist

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