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黑洞是這個宇宙中最神秘的天體,它能吸收空間中一切的物質,連光都不能逃脫出它的引力範圍。從牛頓那個時代開始,黑洞就已經在理論上存在了,只不過那時候它的名字叫做「暗星」。自從愛因斯坦推出廣義相對論以來,黑洞的存在更是無可置疑。2019年,科學家公布了第一張黑洞的照片。我們不禁要想,黑洞能吸收掉所有物質,那麼我們該如何測量它的溫度呢?
溫度的測量
溫度是表徵物體冷熱程度的一種度量。在微觀上,溫度是分子平均動能的一種體現。基本上,每個人第一次接觸到溫度這個概念的時候是他發燒的時候。在以前,我們會拿著一根水銀或者酒精的溫度計測量自己的體溫。這是通過熱傳遞的方法來把熱量傳遞到溫度計上,然後液體受熱膨脹到一定高度,我們就可以依此來讀出自己的體溫了。
到了現代,我們已經有了非接觸測量溫度的方法了。根據黑體輻射定律,絕對零度以上的物體都會產生熱輻射,且輻射的波長與溫度有關。且根據斯特潘-玻爾茲曼方程,我們知道輻射的熱流密度與溫度的四次方成正比。於是,我們可以根據接收到的物體熱輻射的波長和熱量來判斷物體的溫度。最常見的就是疫情期間的額溫槍,通過接收額頭的紅外輻射來測量體溫。
由於天體離我們很遠,我們不能使用直接接觸的方式來測量它們的溫度。因此,它們發出的光是我們了解它們溫度的一個重要手段。例如,我們用光柵把太陽光分解成一系列的單色光,形成它的光譜,然後我們通過對這些光的測量就可以知道太陽表面的溫度為5777開爾文,中心溫度大概為1700萬開爾文。
黑洞溫度的測量
黑洞具有溫度的想法是令人驚訝的,因為黑洞不會發出任何光,如何能測量它的溫度?有些人可能認為,當黑洞吸收附近恆星的氣體形成吸積盤時,它就會發出光芒,我們此時就可以測量黑洞的溫度。但這不是我們所要談論的溫度,因為這不是黑洞發出的光。
黑洞的溫度與霍金輻射的概念有關。由於量子漲落,在宇宙空間中會成對生成一些虛粒子,最常見的就是光子,這也被認為是真空不空的原因。正常情況下,這些虛粒子會快速生成並互相湮滅。霍金認為,這種情況也會在黑洞的活動視界邊緣出現。當這些虛粒子中的一對出現在黑洞視界的時候,其中一半會掉入黑洞,另一半會自由地逃逸到宇宙空間中。作為外部觀測者,只要探測到這些粒子,你就能知道黑洞的溫度了。
霍金認為,黑洞的溫度與黑洞的質量和視界大小成反比。也就是說黑洞越大,它的溫度就越低。在一些星系中心的超大質量黑洞,擁有數百萬倍的太陽質量,它的溫度為1.4×10^-14開爾文。這已經是非常低了,幾乎接近絕對零度了。擁有太陽質量的黑洞的溫度可能只有0.00000006開爾文。
宇宙微波背景是宇宙大爆炸後的餘暉,它目前的溫度只有2.7開爾文。儘管這已經很低了,但是還是比現存的黑洞溫度高出不少。因此黑洞吸收宇宙背景輻射的能量比蒸發的速度快。