黑洞會蒸發?霍金輻射會一點點侵蝕黑洞,直到它什麼都沒有留下

我們都聽說過黑洞的引力是如此強大,以至于連光都無法逃脫。這不可避免地會讓人產生這樣一種印象,即黑洞的邊界是隱喻的單向深淵之旅,隨著黑洞吞噬周圍越來越多的宇宙,它只會永遠變大。

一般來說,這是真的,但是以一種幾乎類似于民間故事的方式。物理學中已知的最微小的現象之一被認為能夠緩慢而穩定地 一點一點地侵蝕黑洞,直到什麼都沒有留下,就好像黑洞根本就不存在。這種被稱為 「霍金輻射」的現象是量子力學中最不可能的怪異之一,但它表明沒有任何東西,即使是黑洞,也無法繞過能量守恆定律。

黑洞的視界是什麼?

要了解黑洞是如何簡單地從存在中消失的,我們需要從字面上重新了解黑洞周圍的一些物理學。

當一顆足夠大的恒星,從大約 9 到 10 個太陽質量開始運行到 100 個太陽質量,耗盡燃料來燃燒時,其核心的向外力不再足以抑制其自身的引力。當這種情況發生時,會以接近 70米/秒的速度發生壯觀的坍縮,這可能會也可能不會產生超新星,具體取決于恒星的質量和組成。

在某些情況下,這種坍縮過程中的重力是如此之強,以至于沒有什麼可以阻止向零體積和無限密度的坍縮。然後在空間中的一個點形成一個奇點,它具有坍縮恒星的所有質量,這產生了一個非凡的現象。

宇宙中所有的大質量物體都有一個逃逸速度,這是克服物體引力所需的速度,當你越接近物體的重心時,所需的速度就會增加。

對于黑洞,距離中心有一段距離,在該距離之下,逃逸速度超過了光速,這是宇宙中任何物體所能移動的最快速度。結果,事件視界在這個半徑的奇點周圍形成,被稱為「史瓦西半徑」,任何東西都無法逃脫,即使是最微小的粒子也不例外。

什麼是霍金輻射?

量子場論有一個奇怪的理論,它說宇宙中每一個平方單位的體積都絕對被所謂的虛粒子產生的量子漲落攪動。

虛粒子是真空中粒子和反粒子的自發和暫態產生和暫態破壞。在正常的事件程序中,這些波動不會對更大的宇宙產生影響,因為虛擬粒子除了相互湮滅之外沒有時間做任何事情。

這些量子漲落效應在我們周圍不斷發生,並且在其他方面並不特別引人注目——除了沿著事件視界的邊緣。

儘管這些粒子存在于量子尺度上,但它們佔據了真實的空間,有時粒子會出現在黑洞視界的邊緣。

當這種情況發生時,這兩個粒子在一半被吸入黑洞之前沒有時間相互湮滅,而另一個能夠射入太空並以一種已知的黑體熱輻射形式逃逸,比如霍金輻射。

黑洞真的會蒸發嗎?

然而,霍金輻射是一個很大的禁忌。因為宇宙中的能量既不能創造,也不能毀滅,只能轉化為不同種類的能量,所有存在的能量一直存在並將永遠存在。最後,宇宙的‘賬本’必須平衡,那麼我們如何解釋在半個虛粒子對被黑洞吞噬之前並不存在的霍金輻射的突然增加?

幸運的是,雖然新發射的霍金輻射正在逃逸到更廣闊的宇宙中,但該下落的虛擬粒子實際上攜帶了負能量,作為對霍金輻射的借記。這通過減少以霍金輻射形式釋放的黑洞的能量相當的量來保持宇宙的能量平衡。

而且由于能量可以轉換為質量,反之亦然(E=MC2和所有),負能量變為添加到黑洞的負質量,有效地從總質量中減去該質量。這種質量的減少幾乎與實際情況一樣小,但事件視界的表面在霍金輻射下絕對沸騰。這對黑洞產生了千億級的切割效應,如果黑洞不通過消耗物質增加更多的質量,在很長一段時間內,它將失去所有質量到霍金輻射。

黑洞多久蒸發一次?

不知道這個過程多久發生一次,但很可能在大爆炸之後形成的微小的原始黑洞 早已蒸發掉了。不過,天文學家希望宇宙中仍有一些存在,因為它們可能是我們看到這種蒸發發生的唯一方式。理論上,蒸發的黑洞將在接近一個普朗克質量和兩個普朗克長度時結束,此時假設黑洞會隨著伽馬射線的劇烈爆炸而蒸發。天文學家和物理學家一直在尋找這樣的伽馬射線爆發,但還沒有找到,而且我們可能永遠也找不到。

比如,人馬座 A* 需要 10的87次方 年才能從霍金輻射中蒸發,而對于有史以來發現的最大黑洞Ton 618 (重量高達 660 億太陽質量)而言,它需要10的100次方 多年才能蒸發消失。

霍金輻射和黑洞資訊悖論!

除了霍金輻射和黑洞蒸發的理論復雜性之外,霍金輻射最重要的影響就是所謂的 黑洞資訊悖論。這是由于一方面管理霍金輻射的兩個相互競爭的規則與另一方面的量子場論之間的衝突而產生的。

霍金輻射已被證明沒有編碼資訊,並且與之前的任何霍金輻射都沒有聯繫,這意味著它不攜帶任何源自墜入黑洞的糾纏夥伴粒子的資訊。如果沒有資訊通過霍金輻射傳輸,那麼所有落入黑洞的資訊都會永遠留在黑洞內。這對于量子場論很重要,它認為資訊不能不可挽回地丟失是一個基本規則。

這是悖論的癥結所在,因為霍金輻射不會將資訊傳遞出黑洞,但它確實預測所有黑洞最終都會蒸發不存在,從而違反量子場論,帶走它們所包含的任何資訊。已經有很多嘗試將霍金輻射與資訊守恆定律調和起來,但都沒有一個令人滿意的解決方案,甚至還產生了額外的問題讓物理學家糾結。

一個與此相關的悖論被稱為 黑洞防火牆悖論,它進一步違反了理論物理學家喬·波爾欽斯基(Joe Polchinski)和其他人所稱的黑洞互補性的「無戲劇性」原則,將黑洞資訊悖論和分層進一步違反 ,迫使物理學家進入不得不犧牲三個公認的理論之一的不舒服的位置。

實際上,自從霍金在 1974 年提出霍金輻射以來,它就一直是物理學家爭論的話題,不幸的是,使用聲波黑洞的實驗證據表明,霍金輻射是一個不容忽視的真實現象。而霍金輻射最終如何與物理學的其餘部分協調一致是任何人的猜測,但它會繼續沿著事件視界到處冒泡,就像一條平緩的溪流劃出一個巨大的峽谷。


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