歷史輝煌
在1974年,史蒂芬.霍金發現了黑洞的蒸發現象,從而改變了黑洞的經典圖像:黑洞已不是完全“黑”的,也不單純是個“洞”,它既可以通過吸積物質使質量增加,也可以向外發射物質,而使質量減小。在量子力學里,真空並不意味著沒有任何場,粒子或能量。量子真空是一種能量為最低的狀態,它只是被稱作“真空”而已,實際上能量為零的狀態是不存在的。
真空不空
![黑洞蒸發理論](/img/4/4e1/nBnauM3XxUzN3MTMzMjMwYDM2QTM5QDM0YzMzQTNwAzMxAzLzIzL0IzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg)
但是,真空是不容易被極化的,需要有很高的能量密度才能使虛粒子對分離和實粒子出現。而產生極化所需的能量的形式並不重要,它們可以是電能,磁能,熱能,引力能等。
遇到的問題
![黑洞蒸發理論](/img/b/c0f/nBnauM3X2AjN3UDO0MjMwYDM2QTM5QDM0YzMzQTNwAzMxAzLzIzL4czLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg)
不確定性定理說明,如果一個粒子的位置被確定,它的速度就會變得不確定。如果一個粒子落入黑洞,它的位置已經被確定(在奇點),所以它的速度就不確定,甚至超過光速而逃出視界。
由於所有形式的能量都等價於質量,所以我們當然會想到引力能也會被自發地轉變成粒子。霍金髮現,對於微黑洞來說,量子真空會被它周圍的強引力場所極化(這一點是至關重要的),在狄拉克海里,虛粒子對在不斷產生和消失,一個粒子和它的反粒子會分離一段很短的時間,於是就有四種可能性:兩個夥伴重新相遇,並相互湮滅(過程I);反粒子被黑洞捕獲,而正粒子在外部世界顯形(過程II);正粒子被捕獲而反粒子逃出(過程III);雙雙落入黑洞(過程IV)。霍金計算了這些過程發生的幾率,結果發現過程II最為常見。由於有傾向地捕獲反粒子,黑洞自發地損失了能量,也就是損失了質量。由於微黑洞的尺度與基本粒子相當,能量的“躍遷”可能足以使粒子運動一段大於視界半徑的距離,其結果就是粒子逃出,在外部觀測者看來,黑洞在蒸發,即發出粒子流。其實粒子並沒有真的跳過視界“牆”,而是從一個由不確定性原理短暫地打通的“遂道”穿過。這樣的過程反反覆覆在黑洞視界的周圍發生,從而,形成一股不斷的輻射流,黑洞發光了。
霍金的計算
霍金的計算表明,黑洞的蒸發輻射具有黑體的所有特徵。它賦予了黑洞一個真實的,在整個視界上同一的,直接由視界處的引力場強度來決定的溫度。對史瓦西黑洞來說,溫度與質量成反比。質量與太陽一樣的黑洞,其溫度是微不足道的,開氏(即絕對零度以上)十的負七次方度。不是零,但小的可憐;黑洞並不是完全的黑,但一點也不亮。很遺憾,這樣低溫的輻射實在太微弱了,是不可能在實驗室中探測出來的。
霍金的計算還有一個重要發現:黑洞的質量越小,溫度越高,輻射也越強。顯然,蒸發只有對微型黑洞來說才有特別的影響,而微型黑洞的溫度是很高的。在黑洞中,質量越大的黑洞,溫度越低,蒸發的越慢;質量越小的黑洞,溫度越高,蒸發的也越快。
對於微黑洞來說,溫度非常之高,可達千萬開甚至上億開,隨著蒸發的加劇,質量丟失的很快,溫度會迅猛地上升,隨著溫度上升的加快,質量丟失的就更厲害,這中過程會以瘋狂的形式演變,最終黑洞被摧毀,以猛烈的爆發而告終,所有粒子都得到了大赦(對巨型黑洞來說發射粒子的過程十分緩慢,相當於蒸發;而對微黑洞來說,發射粒子的過程十分迅猛,相當於爆發)。
對於星系中心的巨型黑洞來說,其蒸發的過程將遠遠超出宇宙的年齡,假定宇宙有足夠長的壽命,並且不回縮,那么這類黑洞最終也還是要蒸發掉。不過這類黑洞目前還是吸積遠大於蒸發,以吸積為主。只有當宇宙後來的溫度降到比這類黑洞的溫度還低時,它們才開始以蒸發為主。然而這個過程太慢長了,等到它們開始蒸發,也將遠遠超出宇宙的年齡,而它們要蒸發完畢,大約要十的九十九次方年!
未知的結果
黑洞蒸發的最後結果目前還不得而知。也許有人會認為視界消失後會留下一個裸露的中心奇點,但這是經典的看法,可能是錯誤的。如果它由輻射自己的質量而完全蒸發掉,應該說時空就會成為平直。黑洞不存在
霍金指出,由於找不到黑洞的邊界,因此黑洞是不存在的。黑洞的邊界又稱“視界”。經典黑洞理論認為,黑洞外的物質和輻射可以通過視界進入黑洞內部,而黑洞內的任何物質和輻射均不能穿出視界。霍金的最新“灰洞”理論認為,物質和能量在被黑洞困住一段時間以後,又會被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認,自己最初有關視界的認識是有缺陷的,光線其實是可以穿越視界的。當光線逃離黑洞核心時,它的運動就像人在跑步機上奔跑一樣,慢慢地通過向外輻射而收縮。
霍金稱,黑洞從來都不會完全關閉自身,它們在一段漫長的時間裡逐步向外界輻射出越來越多的熱量,隨後黑洞將最終開放自己並釋放出其中包含的物質信息。
他1月24日在《自然》報導發表的一篇論文中承認,黑洞其實是不存在的,不過“灰洞”的確存在 。