這就是「真空零點能」和「霍金輻射」讓黑洞蒸發(fā)的原因

思明居士 2019-07-08

展開全文

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(dāng)時滿心期待，不過那畢竟是人類第一張關(guān)于宇宙未知天體的照片，當(dāng)時并沒有被真震撼到，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?nèi)祟惖睦碚摽茖W(xué)對黑洞的描述和預(yù)測是符合基本情況的，所以我也相信在往后的科學(xué)發(fā)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：

這是一個很真是的例子

黑洞會永恒嗎

已知黑洞的大小范圍從太陽質(zhì)量的幾十倍(如天鵝座X-1)到太陽質(zhì)量的數(shù)十億倍(甚至數(shù)百億倍)。我們的銀河系中心就有一個大約太陽質(zhì)量的400萬倍的超級黑洞。

對于一顆像我們太陽這樣的恒星，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，對于一顆質(zhì)量是我們太陽質(zhì)量7~12倍的恒星衰亡時核心將融合成一個巨大致密的中子團(tuán)，形成中子星。如果一顆恒星的質(zhì)量是我們太陽質(zhì)量的12-15倍，在其核心燃料耗盡時，恒星會在自身重力的作用下坍塌，形成一顆較小的黑洞。

現(xiàn)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(jìn)不出啊，從這個意義上說黑洞沒有任何損耗，那么黑洞能不能永恒存在？如果不能，那它們又是如何蒸發(fā)的呢?

我們今天就了解下海森堡測不準(zhǔn)原理和霍金輻射，是怎樣讓黑洞蒸發(fā)的？

海森堡測不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的基礎(chǔ)，其“詭異”之處在于，它告訴我們，在有限的時間內(nèi)，你無法準(zhǔn)確的測量測量一個系統(tǒng)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(zhì)量具有內(nèi)在的不確定性，系統(tǒng)的質(zhì)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(xué)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(zhǔn)原理可以在很短的時間內(nèi)突然出現(xiàn)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(nèi)，任何形式的能量都會被困在黑洞里，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，能量要么留在外部，要么落入黑洞。如果粒子-反粒子對在事件視界處形成，我們可以想象大多數(shù)時候，它們會在外面正常湮滅，但偶爾會出現(xiàn)意外情況，其中一個粒子或反粒子會不小心掉入黑洞里，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，這是一個即神奇又完整的結(jié)果，為什么說不完整呢？因為這里會出現(xiàn)兩個問題。

第一，就是粒子的“能量成本”問題，也就是說，通過能量守恒，我們知道能量是不會憑空出現(xiàn)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(nèi)“欺騙”宇宙的能量守恒定律;但最終還是要湮滅歸還宇宙的!
第二，這種機制產(chǎn)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(zhì)量。（看公式，溫度和質(zhì)量成反比）

實際上，要產(chǎn)生最輕的粒子/反粒子對需要幾十億度的高溫，一個太陽質(zhì)量的黑洞的溫度會低于1微開爾文，而且質(zhì)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，無法制造出這些粒子中的任何一個。

那么到底是什么落入了黑洞，又發(fā)生了什么?

我們需要知道的是，真空中產(chǎn)生的粒子并不是真實的粒子，而是正在被創(chuàng)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(xiàn)了我們宇宙的基本量子場論。相對于“真實的粒子-反粒子對”，真空中產(chǎn)生的粒子是從未實際存在過的虛粒子。但只要最終狀態(tài)與能量守恒定律相一致，它們就能在有限的時間內(nèi)存在。