這就是「真空零點能」和「霍金輻射」讓黑洞蒸發的原因
2020-12-03 李論科學就在今年4月10號的21點，我們這一代人有幸目睹了黑洞的真容，當時滿心期待，不過那畢竟是人類第一張關於宇宙未知天體的照片，當時並沒有被真震撼到，反而是加入了惡搞黑洞照片的行列，唯一感到震驚的是，我們人類的理論科學對黑洞的描述和預測是符合基本情況的，所以我也相信在往後的科學發展中人類一定能獲得更加清晰的黑洞影像。就像1994年和2018年冥王星照片的對比：
這是一個很真實的例子黑洞會永恆嗎
已知黑洞的大小範圍從太陽質量的幾十倍(如天鵝座X-1)到太陽質量的數十億倍(甚至數百億倍)。我們的銀河系中心就有一個大約太陽質量的400萬倍的超級黑洞。
對於一顆像我們太陽這樣的恆星，原子的量子特性可以讓它抵抗重力，在死亡時會形成一顆紅矮星，對於一顆質量是我們太陽質量7~12倍的恆星衰亡時核心將融合成一個巨大緻密的中子團，形成中子星。如果一顆恆星的質量是我們太陽質量的12-15倍，在其核心燃料耗盡時，恆星會在自身重力的作用下坍塌，形成一顆較小的黑洞。
現在我們知道宇宙中存在大量的黑洞，黑洞強大的引力甚至連光都無法逃脫，這說明黑洞可以只進不出啊，從這個意義上說黑洞沒有任何損耗，那麼黑洞能不能永恆存在？如果不能，那它們又是如何蒸發的呢？
我們今天就了解下海森堡測不準原理和霍金輻射，是怎樣讓黑洞蒸發的？
海森堡測不準原理是量子力學的基礎，其「詭異」之處在於，它告訴我們，在有限的時間內，你無法準確的測量測量一個系統的能量：存在固有的能量和時間的不確定性。這意味著：存在時間很短的粒子(如希格斯玻色子或頂夸克)其質量具有內在的不確定性，系統的質量或能量的測量不可能在瞬間完成。而且最重要的是完全真空的空間本身也具有非零的能量，也就是真空量子能。
量子力學為我們提供了一種對真空量子能可視化的方法。下圖
上圖中粒子-反粒子對遵守海森堡測不準原理可以在很短的時間內突然出現或消失！有了這幅圖，我們就可以看下真空中的正反粒子對是怎樣讓黑洞衰變的！
我們都知道黑洞無論大小都有一個視界面。在事件視界內，任何形式的能量都會被困在黑洞裡，包括任何粒子-反粒子對，任何形式的輻射都無法逃脫。然而，在事件視界的另一邊，能量要麼留在外部，要麼落入黑洞。如果粒子-反粒子對在事件視界處形成，我們可以想像大多數時候，它們會在外面正常湮滅，但偶爾會出現意外情況，其中一個粒子或反粒子會不小心掉入黑洞裡，而另一個則留在外面！看下圖：
通過上圖我們很清楚的可以看到，真空中的正反粒子對大部分會在外邊湮滅，只有一小部分粒子會被孤立出來，這是一個既神奇又完整的結果，為什麼說不完整呢？因為這裡會出現兩個問題。
第一，就是粒子的「能量成本」問題，也就是說，通過能量守恆，我們知道能量是不會憑空出現也不會憑空消失的。即使是量子的不確定性也只允許在極短極短的時間內「欺騙」宇宙的能量守恆定律;但最終還是要湮滅歸還宇宙的!第二，這種機制產生的黑洞輻射溫度可以通過下面公式計算出來，黑洞溫度唯一依賴的是黑洞的質量。（看公式，溫度和質量成反比）霍金輻射公式。可以自行查閱實際上，要產生最輕的粒子/反粒子對需要幾十億度的高溫，一個太陽質量的黑洞的溫度會低於1微開爾文，而且質量越大的黑洞輻射溫度更低。換句話說，黑洞周圍能量根本就不存在，無法製造出這些粒子中的任何一個。
那麼到底是什麼落入了黑洞，又發生了什麼？
我們需要知道的是，真空中產生的粒子並不是真實的粒子，而是正在被創造出來的虛粒子。上文中展示的「粒子-反粒子對」是一個非相對論性的可視化圖像，它更好地表現了我們宇宙的基本量子場論。相對於「真實的粒子-反粒子對」，真空中產生的粒子是從未實際存在過的虛粒子。但只要最終狀態與能量守恆定律相一致，它們就能在有限的時間內存在。
考慮到這一點，那麼黑洞視界外發生了什麼？
真空一直在製造這些虛粒子-反粒子對，在某些情況下，粒子掉入黑洞，反粒子留在外面，在某些情況下，反粒子掉入黑洞，粒子留在外面。如果有兩個正反虛粒子對發生以上的情況，就可以從黑洞中得到真實的能量輻射。
在事件視界外，假如有兩個粒子-反粒子對：對1，反粒子落入，粒子逃逸；對2，粒子落入，反粒子逃逸。從對1逃逸的粒子和從對2逃逸的反粒子相互作用，會產生兩個光子(光子是能量存在的形式)，它們可以以霍金輻射的形式逃逸，具有真實的正能量。
但這種能量不是免費的！它是從哪裡來的？由於掉入黑洞的一個粒子對發生湮滅，讓真空損失了能量，能量不會憑空消失，所以留在外部逃逸的粒子會帶走黑洞的質量，所以我們最終得到了逃逸的輻射和質量降低的黑洞。
違反直覺的是，在質量較低的黑洞周圍能量損失的速度更快，因為小黑洞的視界周圍的空間曲率實際上更強。會有更多的虛粒子對被拆散。
一個質量相當於太陽的黑洞要蒸發大約需要10^67年，而宇宙中最大的黑洞要蒸發大約需要10^100年。這比宇宙目前的年齡都要長得多，但黑洞並不是永恆的。它在量子力學和霍金輻射的作用下會慢慢蒸發！
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