黑洞也會消失?竟是因為粒子逃脫,看霍金如何預測黑洞之死

2020-11-23 騰訊網

通過數百萬年甚至數十億年的熱輻射，黑洞的質量會逐漸減少，直到什麼都不剩。這個熱輻射的過程就是我們所說的霍金輻射。

萬物最終都會消亡。

而黑洞——巨大的隱藏在黑暗中的虛空——又怎能是例外呢？

首先，黑洞並不如其字面意義那樣是全黑的。其次，黑洞確實會消亡，但它們的消亡通常會伴隨著輝煌的烈焰。

通過數百萬年甚至數十億年的熱輻射，黑洞的質量會逐漸減少，直到什麼都不剩。這個熱輻射的過程就是我們所說的霍金輻射。

圖解:藝術家創作的霍金輻射的概念圖（圖源：cosmicvue/ fotolia）

等一等……啥？

黑洞不是應該吸收掉周圍所有的物質和電磁輻射嗎？為什麼會突然放射？它吃撐了嗎？

此情此景如果只運用經典物理學來解惑，那麼答案很簡單——是的，黑洞吃撐了。但從量子層面出發，我們獲得的結果會有所不同。

什麼是黑體輻射？

黑體可以吸收所有的射向它們的輻射並將其重新輻射到外界，而這些被重新發射出來的輻射就是黑體輻射。黑體輻射的強度和黑體的溫度成正比。由於熱能在物體上有平均分布的特性，一個物體質量越大，它的整體溫度就會越低。

因此，可以說只有小質量的黑體才會有足夠高的溫度溫來釋放出可觀的輻射。

那麼黑洞和黑體又有什麼關係呢？

我們可能都知道，黑洞有著巨大無比的引力。通常來說，黑洞的引力大到沒有任何東西可以逃脫它的把控，電磁輻射也不行。

而當我們離黑洞越來越遠時，引力效應也會越來越弱。這時我們就要用到量子物理學來研究無質量的小粒子，這樣引力的影響就可以忽略不計。黑體輻射就是由於量子效應產生的。

燃燒著的煤炭、太陽和其他所有可以自發電磁輻射的物體都不是理想黑體（圖源：Pixabay）

量子理論

在需要考慮引力的時候，量子理論通常都會被忽略不計，但霍金髮現，在黑洞的事件視界（一個一旦越過便無法返回的邊界，即大質量物體產生的巨大引力使得逃逸不可能發生），量子波動會產生虛粒子（虛粒子會呈現某些正常粒子的特性，但其存在受不確定性原理的限制，在後文會對此淺析）。而這些虛粒子則會產生霍金輻射。

圖解:三維模擬的量子波動（圖源：Ahmed Neutron/Wikimedia Commons）

量子物理學指出真空並不是什麼都沒有的虛空。

這可能很難理解，但由於不確定性原理，粒子與反粒子會成對的在真空中反覆出現消失，嗡嗡作響。

圖解:海森堡的不確定性原理

德國的理論物理學家海森堡提出的突破性的不確定性原理指出，對於一個質量可以忽略不計的微觀粒子，我們不可能同時精確地測量出它的位置和動量。現代量子物理學就是建立在這個基礎之上。

這個理論對我們又有什麼幫助呢？

當然有。

圖解:玻爾關於量子的名言

從虛擬到現實

海森堡的不確定性原理證實了虛粒子的存在，即使不能被直接觀測到，它們完全可以存在於量子物理學的各個方面。

為了維持空間的穩定性，虛粒子以正能量和負能量粒子成對地出現（即粒子與反粒子），它們的以指數級速度出現又消失。

那它們什麼時候會變成真實的粒子呢？

舉個例子，當一對粒子中的一個離事件視界夠近並被吸入，而另一個粒子逃逸的時候，這個逃逸的粒子同時也擺脫了其湮滅的命運。此時，這個逃逸的虛粒子就變成了真實粒子。因為逃逸的真實粒子不能擁有負能量，根據能量守恆定律，被吸入的粒子必須是負能量的反粒子。

所以，霍金輻射就是指正粒子的逃逸。當物體表面反射光或它們自身發出輻射時，我們就能感知到物體。同理，黑洞也會因霍金輻射而略微發光，這就是為什麼我們說黑洞並不是全黑的。

黑洞的蒸發

在了解了黑洞並不是全黑的之後，我們來談談黑洞的質量是如何減少的。

如果說逃逸的粒子使黑洞變得「不那麼黑」，那麼黑洞減少的質量必然與它吸入的負粒子有關。

這些負粒子的質量也是負的。儘管聽起來很不現實，負質量通過發射光子降低了黑洞的總動能。負質量的表現與經典質量或者說是慣性質量相反，與正質量不同，它們與所有其他形式的質量都相斥。

圖解:粒子和反粒子的習性（圖源：Francrotte/Wikimedia Commons）

總結

在知道了黑洞會如何消亡後，請允許我再補充一下，要去證實霍金的假設恐怕是不可能的。

這是因為理論上存在於宇宙中的大質量黑洞都具有極低的溫度。正如前文所說，黑體的輻射依賴於黑體的溫度，而低強度的輻射很難被觀測到。黑洞本身是一個大質量小體積的存在，根據天體物理學的推理，小質量的黑洞準確說來應該是不存在的！

天文學家們於4月10日首次公布了這些吞噬恆星的怪物的照片，這些怪物分散在宇宙各處，被無法逾越的重力屏障所遮蔽。圖像中，黑色的核心被橙焰色的等離子體和氣體光圈包圍著，看起來與任何藝術家的效果圖都截然不同，令普通群眾大為沮喪。但這次是真的。一組射電望遠鏡將這個超大質量的黑洞永久地記錄了下來。它在一個名為M87的星系中，距我們有5350萬光年，質量約為太陽的65億倍，可以裝下整個太陽系。

圖解:黑洞本身（圖源：Event Horizon Telescope/Wikimedia Commons）

你並不是唯一一個對拍到的照片不滿意的人。

但讓我來告訴你，要得到這個解析度的圖像，我們需要一架地球大小的望遠鏡，而這是不切實際的。科學家們使用了8架遍布全球的望遠鏡來同時觀測黑洞放射的無線電波。在地球旋轉的同時將捕獲到的圖像重疊，就可以模擬出地球大小的望遠鏡所觀測的結果。但M87裡的黑洞並不是科學家們觀察到的唯一一個黑洞，26000光年之外，身處於銀河系中心的人馬座A*也在被觀測。雖然距離更近，但這個黑洞的質量只有太陽的400萬倍，也沒有那麼活躍，因此用望遠鏡完全地觀測它還需要一陣子。

由於黑洞的巨大規模，觀測霍金輻射本應是不切實際的，但是就最近的趨勢來看，更多的發現指日可待。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.Dev Lunawat- Taroro

Georgia State University

University Of California, Riverside

Scholarpedia

Science

The Review

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