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这就是「真空零点能」和「霍金辐射」让黑洞蒸发的原因

就在今年4月10号的21点,我们这一代人有幸目睹了黑洞的真容,当时满心期待,不过那毕竟是人类第一张关于宇宙未知天体的照片,当时并没有被真震撼到,反而是加入了恶搞黑洞照片的行列,唯一感到震惊的是,我们人类的理论科学对黑洞的描述和预测是符合基本情况的,所以我也相信在往后的科学发展中人类一定能获得更加清晰的黑洞影像。就像1994年2018年冥王星照片的对比:

这是一个很真是的例子

黑洞会永恒吗

已知黑洞的大小范围从太阳质量的几十倍(如天鹅座X-1)到太阳质量的数十亿倍(甚至数百亿倍)。我们的银河系中心就有一个大约太阳质量的400万倍的超级黑洞。

对于一颗像我们太阳这样的恒星,原子的量子特性可以让它抵抗重力,在死亡时会形成一颗红矮星,对于一颗质量是我们太阳质量7~12倍的恒星衰亡时核心将融合成一个巨大致密的中子团,形成中子星。如果一颗恒星的质量是我们太阳质量的12-15倍,在其核心燃料耗尽时,恒星会在自身重力的作用下坍塌,形成一颗较小的黑洞

现在我们知道宇宙中存在大量的黑洞,黑洞强大的引力甚至连光都无法逃脱,这说明黑洞可以只进不出啊,从这个意义上说黑洞没有任何损耗,那么黑洞能不能永恒存在?如果不能,那它们又是如何蒸发的呢?

我们今天就了解下海森堡测不准原理霍金辐射,是怎样让黑洞蒸发的?

海森堡测不准原理是量子力学的基础,其“诡异”之处在于,它告诉我们,在有限的时间内,你无法准确的测量测量一个系统的能量:存在固有的能量和时间的不确定性。这意味着:存在时间很短的粒子(如希格斯玻色子或顶夸克)其质量具有内在的不确定性,系统的质量或能量的测量不可能在瞬间完成。而且最重要的是完全真空的空间本身也具有非零的能量,也就是真空量子能。

量子力学为我们提供了一种对真空量子能可视化的方法。下图

上图中粒子-反粒子对遵守海森堡测不准原理可以在很短的时间内突然出现或消失!有了这幅图,我们就可以看下真空中的正反粒子对是怎样让黑洞衰变的

我们都知道黑洞无论大小都有一个视界面。在事件视界内,任何形式的能量都会被困在黑洞里,包括任何粒子-反粒子对,任何形式的辐射都无法逃脱。然而,在事件视界的另一边,能量要么留在外部,要么落入黑洞。如果粒子-反粒子对在事件视界处形成,我们可以想象大多数时候,它们会在外面正常湮灭,但偶尔会出现意外情况,其中一个粒子或反粒子会不小心掉入黑洞里,而另一个则留在外面!看下图:

通过上图我们很清楚的可以看到,真空中的正反粒子对大部分会在外边湮灭,只有一小部分粒子会被孤立出来,这是一个即神奇又完整的结果,为什么说不完整呢?因为这里会出现两个问题。

  • 第一,就是粒子的“能量成本”问题,也就是说,通过能量守恒,我们知道能量是不会凭空出现也不会凭空消失的。即使是量子的不确定性也只允许在极短极短的时间内“欺骗”宇宙的能量守恒定律;但最终还是要湮灭归还宇宙的!
  • 第二,这种机制产生的黑洞辐射温度可以通过下面公式计算出来,黑洞温度唯一依赖的是黑洞的质量。(看公式,温度和质量成反比)

实际上,要产生最轻的粒子/反粒子对需要几十亿度的高温,一个太阳质量的黑洞的温度会低于1微开尔文,而且质量越大的黑洞辐射温度更低。换句话说,黑洞周围能量根本就不存在,无法制造出这些粒子中的任何一个

那么到底是什么落入了黑洞,又发生了什么?

我们需要知道的是,真空中产生的粒子并不是真实的粒子,而是正在被创造出来的虚粒子。上文中展示的“粒子-反粒子对”是一个非相对论性的可视化图像,它更好地表现了我们宇宙的基本量子场论。相对于“真实的粒子-反粒子对”,真空中产生的粒子是从未实际存在过的虚粒子。但只要最终状态与能量守恒定律相一致,它们就能在有限的时间内存在。

考虑到这一点,那么黑洞视界外发生了什么?

真空一直在制造这些虚粒子-反粒子对;在某些情况下,粒子掉入黑洞,反粒子留在外面,在某些情况下,反粒子掉入黑洞,粒子留在外面。如果有两个正反虚粒子对发生以上的情况,就可以从黑洞中得到真实的能量辐射。

在事件视界外,假如有两个粒子-反粒子对:对1,反粒子落入,粒子逃逸;对2,粒子落入,反粒子逃逸。从对1逃逸的粒子和从对2逃逸的反粒子相互作用,会产生两个光子(光子是能量存在的形式),它们可以以霍金辐射的形式逃逸,具有真实的正能量。

但这种能量不是免费的!它是从哪里来的?由于掉入黑洞的一个粒子对发生湮灭,让真空损失了能量,能量不会凭空消失,所以留在外部逃逸的粒子会带走黑洞的质量,所以我们最终得到了逃逸的辐射和质量降低的黑洞!

违反直觉的是,在质量较低的黑洞周围能量损失的速度更快,因为小黑洞的视界周围的空间曲率实际上更强!会有更多的虚粒子对被拆散。

一个质量相当于太阳的黑洞要蒸发大约需要10^67年,而宇宙中最大的黑洞要蒸发大约需要10^100年。这比宇宙目前的年龄都要长得多,但黑洞并不是永恒的。它在量子力学和霍金辐射的作用下会慢慢蒸发!

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来自:思明居士  > 天文地理
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