黑洞会蒸发?霍金辐射会一点点侵蚀黑洞,直到它什么都没有留下!

原标题:黑洞会蒸发?霍金辐射会一点点侵蚀黑洞,直到它什么都没有留下!

我们都听说过黑洞的引力是如此强大,以至于连光都无法逃脱。这不可避免地会让人产生这样一种印象,即黑洞的边界是隐喻的单向深渊之旅,随着黑洞吞噬周围越来越多的宇宙,它只会永远变大。

一般来说,这是真的,但是以一种几乎类似于民间故事的方式。物理学中已知的最微小的现象之一被认为能够缓慢而稳定地一点一点地侵蚀黑洞,直到什么都没有留下,就好像黑洞根本就不存在。这种被称为“霍金辐射”的现象是量子力学中最不可能的怪异之一,但它表明没有任何东西,即使是黑洞,也无法绕过能量守恒定律。

黑洞的视界是什么?

要了解黑洞是如何简单地从存在中消失的,我们需要从字面上重新了解黑洞周围的一些物理学。

当一颗足够大的恒星,从大约 9 到 10 个太阳质量开始运行到 100 个太阳质量,耗尽燃料来燃烧时,其核心的向外力不再足以抑制其自身的引力。当这种情况发生时,会以接近 70米/秒的速度发生壮观的坍缩,这可能会也可能不会产生超新星,具体取决于恒星的质量和组成。

在某些情况下,这种坍缩过程中的重力是如此之强,以至于没有什么可以阻止向零体积和无限密度的坍缩。然后在空间中的一个点形成一个奇点,它具有坍缩恒星的所有质量,这产生了一个非凡的现象。

宇宙中所有的大质量物体都有一个逃逸速度,这是克服物体引力所需的速度,当你越接近物体的重心时,所需的速度就会增加。

对于黑洞,距离中心有一段距离,在该距离之下,逃逸速度超过了光速,这是宇宙中任何物体所能移动的最快速度。结果,事件视界在这个半径的奇点周围形成,被称为“史瓦西半径”,任何东西都无法逃脱,即使是最微小的粒子也不例外。

什么是霍金辐射?

量子场论有一个奇怪的理论,它说宇宙中每一个平方单位的体积都绝对被所谓的虚粒子产生的量子涨落搅动。

虚粒子是真空中粒子和反粒子的自发和瞬时产生和瞬时破坏。在正常的事件过程中,这些波动不会对更大的宇宙产生影响,因为虚拟粒子除了相互湮灭之外没有时间做任何事情。

这些量子涨落效应在我们周围不断发生,并且在其他方面并不特别引人注目——除了沿着事件视界的边缘。

尽管这些粒子存在于量子尺度上,但它们占据了真实的空间,有时粒子会出现在黑洞视界的边缘。

当这种情况发生时,这两个粒子在一半被吸入黑洞之前没有时间相互湮灭,而另一个能够射入太空并以一种已知的黑体热辐射形式逃逸,比如霍金辐射。

黑洞真的会蒸发吗?

然而,霍金辐射是一个很大的禁忌。因为宇宙中的能量既不能创造,也不能毁灭,只能转化为不同种类的能量,所有存在的能量一直存在并将永远存在。最后,宇宙的‘账本’必须平衡,那么我们如何解释在半个虚粒子对被黑洞吞噬之前并不存在的霍金辐射的突然增加?

幸运的是,虽然新发射的霍金辐射正在逃逸到更广阔的宇宙中,但该下落的虚拟粒子实际上携带了负能量,作为对霍金辐射的借记。这通过减少以霍金辐射形式释放的黑洞的能量相当的量来保持宇宙的能量平衡。

而且由于能量可以转换为质量,反之亦然(E=MC2和所有),负能量变为添加到黑洞的负质量,有效地从总质量中减去该质量。这种质量的减少几乎与实际情况一样小,但事件视界的表面在霍金辐射下绝对沸腾。这对黑洞产生了千亿级的切割效应,如果黑洞不通过消耗物质增加更多的质量,在很长一段时间内,它将失去所有质量到霍金辐射。

黑洞多久蒸发一次?

不知道这个过程多久发生一次,但很可能在大爆炸之后形成的微小的原始黑洞 早已蒸发掉了。不过,天文学家希望宇宙中仍有一些存在,因为它们可能是我们看到这种蒸发发生的唯一方式。理论上,蒸发的黑洞将在接近一个普朗克质量和两个普朗克长度时结束,此时假设黑洞会随着伽马射线的剧烈爆炸而蒸发。天文学家和物理学家一直在寻找这样的伽马射线爆发,但还没有找到,而且我们可能永远也找不到。

比如,人马座 A* 需要 10的87次方 年才能从霍金辐射中蒸发,而对于有史以来发现的最大黑洞Ton 618 (重量高达 660 亿太阳质量)而言,它需要10的100次方 多年才能蒸发消失。

霍金辐射和黑洞信息悖论!

除了霍金辐射和黑洞蒸发的理论复杂性之外,霍金辐射最重要的影响就是所谓的黑洞信息悖论。这是由于一方面管理霍金辐射的两个相互竞争的规则与另一方面的量子场论之间的冲突而产生的。

霍金辐射已被证明没有编码信息,并且与之前的任何霍金辐射都没有联系,这意味着它不携带任何源自坠入黑洞的纠缠伙伴粒子的信息。如果没有信息通过霍金辐射传输,那么所有落入黑洞的信息都会永远留在黑洞内。这对于量子场论很重要,它认为信息不能不可挽回地丢失是一个基本规则。

这是悖论的症结所在,因为霍金辐射不会将信息传递出黑洞,但它确实预测所有黑洞最终都会蒸发不存在,从而违反量子场论,带走它们所包含的任何信息。已经有很多尝试将霍金辐射与信息守恒定律调和起来,但都没有一个令人满意的解决方案,甚至还产生了额外的问题让物理学家纠结。

一个与此相关的悖论被称为黑洞防火墙悖论,它进一步违反了理论物理学家乔·波尔钦斯基(Joe Polchinski)和其他人所称的黑洞互补性的“无戏剧性”原则,将黑洞信息悖论和分层进一步违反 ,迫使物理学家进入不得不牺牲三个公认的理论之一的不舒服的位置。

实际上,自从霍金在 1974 年提出霍金辐射以来,它就一直是物理学家争论的话题,不幸的是,使用声波黑洞的实验证据表明,霍金辐射是一个不容忽视的真实现象。而霍金辐射最终如何与物理学的其余部分协调一致是任何人的猜测,但它会继续沿着事件视界到处冒泡,就像一条平缓的溪流划出一个巨大的峡谷。

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