[科普中國]-黑洞輻射

黑洞輻射（英語：Hawking radiation）是以量子效應(yīng)理論推測出的一種由黑洞散發(fā)出來的熱輻射。此理論在1974年由物理學(xué)家史蒂芬·霍金提出。有了霍金輻射的理論就能說明如何降低黑洞的質(zhì)量而導(dǎo)致黑洞蒸散的現(xiàn)象。

簡介霍金輻射（英語：Hawking radiation）是以量子效應(yīng)理論推測出的一種由黑洞散發(fā)出來的熱輻射。此理論在1974年由物理學(xué)家史蒂芬·霍金提出。有了霍金輻射的理論就能說明如何降低黑洞的質(zhì)量而導(dǎo)致黑洞蒸散的現(xiàn)象。1

而因?yàn)榛艚疠椛淠軌蜃尯诙词ベ|(zhì)量，當(dāng)黑洞損失的質(zhì)量比增加的質(zhì)量多的時(shí)候就會(huì)造成縮小，最終消失。而比較小的微黑洞的發(fā)散量通常會(huì)比正常的黑洞大，所以前者會(huì)比后者縮小與消失的速度還要快。

霍金的分析迅速成為第一個(gè)令人信服的量子引力理論，盡管目前尚未實(shí)際觀察到霍金輻射的存在。在2008年6月NASA發(fā)射了GLAST衛(wèi)星，它可以尋找蒸發(fā)的黑洞中γ射線的閃光。而在額外維度理論，高能粒子對撞也有可能創(chuàng)造出會(huì)自我消失的微黑洞。

2010年9月，一項(xiàng)模擬重力研究的結(jié)果被部分科學(xué)家認(rèn)為是首次展示出霍金輻射的可能存在與可能性質(zhì)。然而，霍金輻射仍未被實(shí)際觀測到。

概述黑洞是一個(gè)萬有引力極大的地方，它周圍的物質(zhì)會(huì)被重力拉進(jìn)去。以經(jīng)典力學(xué)上來說，它的引力超強(qiáng)，甚至電磁輻射波也無法逃脫。目前雖尚未了解如何統(tǒng)一重力與量子力學(xué)，但遠(yuǎn)離黑洞之處的重力效應(yīng)卻微弱到依然可以使計(jì)算結(jié)果符合彎曲時(shí)空的量子場論框架。霍金表示量子效應(yīng)允許黑洞發(fā)射精確的黑體輻射。這電磁輻射仿佛被一個(gè)溫度和黑洞的質(zhì)量成反比的黑體發(fā)出。

舉例來說，一太陽質(zhì)量的黑洞的溫度僅有60nK；事實(shí)上，黑洞會(huì)吸收比自身發(fā)射要多得多的宇宙微波背景輻射。一個(gè)質(zhì)量為4.5×10kg的黑洞（與月球質(zhì)量相近）的溫度會(huì)保持在2.7K，并吸收與其發(fā)射數(shù)量相等的輻射。更小的原生黑洞則會(huì)散發(fā)比自身吸收更多的輻射，因此逐漸失去質(zhì)量。

在沒有霍金輻射的概念以前，物理界有一個(gè)難題，就是如果把有很多熵的東西丟進(jìn)黑洞里，那豈不是把那些熵給消滅掉了嗎？但是熵在宇宙里是永增不減的，因此這代表黑洞應(yīng)該也有很多熵，而有熵的任何東西都會(huì)釋放黑體輻射，因此黑洞也會(huì)釋放黑體輻射？但釋放的機(jī)制又如何？霍金輻射就解釋了黑洞釋放黑體輻射的機(jī)制。根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理，在真空中會(huì)瞬間憑空且自然地產(chǎn)生許多粒子-反粒子（虛粒子）對，并且在極短的時(shí)間內(nèi)成對湮滅，在宏觀上沒有質(zhì)量產(chǎn)生。

雅可夫·鮑里索維奇·澤爾多維奇、雅各布·貝肯斯坦和史蒂芬·霍金等物理學(xué)者將量子力學(xué)和廣義相對論結(jié)合起來，結(jié)果顯示視界的溫度并非是零，而且還會(huì)發(fā)光，雖然極其微弱。這種光就是所謂的“霍金輻射”；當(dāng)成雙成對的粒子——如電子和正電子，或一對光子——在強(qiáng)烈的引力場中被制造出來時(shí)，其中一個(gè)粒子會(huì)墜入黑洞，另一個(gè)會(huì)逃離，從而產(chǎn)生這種輻射。

如果一個(gè)粒子對在黑洞附近形成，由于黑洞的引力場很強(qiáng)，導(dǎo)致配對誕生的正反粒子被扯開，有可能有一個(gè)跌入事件視界，而另一個(gè)沒有，從而被黑洞的引力提升成實(shí)粒子。但這樣就違反了能量守恒定律，所以另一個(gè)粒子的質(zhì)量一定是從黑洞本身的質(zhì)量而來——這就是黑洞釋放輻射的一個(gè)簡化解釋。

基本上，大質(zhì)量的黑洞可存活比較久一些。一般恒星死亡產(chǎn)生的黑洞可以活10年，而超大質(zhì)量黑洞則可以活10年，霍金輻射也可以說明為什么我們無法觀測到宇宙誕生時(shí)所產(chǎn)生的微黑洞，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)蒸發(fā)殆盡。

理論概述絕對真空違反了量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理，所以并不存在。當(dāng)空間趨向絕對真空的過程中會(huì)產(chǎn)生虛粒子對，兩個(gè)粒子對撞后又會(huì)消失，這樣即不會(huì)違反量子力學(xué)，也不會(huì)違反物質(zhì)守恒。當(dāng)這種量子現(xiàn)象發(fā)生在黑洞的視界邊緣，視界之外的虛粒子因?yàn)樵谝暯缰?，所以可以被觀測到，從而變?yōu)閷?shí)粒子，而視界之內(nèi)的虛粒子因?yàn)樵谝暯缰畠?nèi)，所以會(huì)被黑洞吞噬，不會(huì)被觀察到。因?yàn)橐暯缰獾牧Ｗ邮菐в匈|(zhì)量的真實(shí)粒子，由質(zhì)量和能量守恒定律，視界之內(nèi)被黑洞吞噬的粒子有負(fù)質(zhì)量，所以黑洞的質(zhì)量會(huì)因?yàn)檫@樣的作用而減少。從外界看來，黑洞好像在慢慢蒸發(fā)。黑洞越小，蒸發(fā)速度越快，直到黑洞完全的蒸發(fā)。但由于這樣的作用極為緩慢，和太陽質(zhì)量一樣的黑洞需要用大約10年來蒸發(fā)0.0000001%的質(zhì)量。

形成原因那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實(shí)，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恒星演化而來的。

當(dāng)一顆恒星衰老時(shí)，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。

質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量。如果超過了這個(gè)值，那么將再?zèng)]有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。

這次，根據(jù)科學(xué)家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直至成為一個(gè)體積很小、密度趨向很大。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小于史瓦西半徑），正像我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系——“黑洞”誕生了。

隱身特性與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術(shù)”，人們無法直接觀察到它，連科學(xué)家都只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。那么，黑洞是怎么把自己隱藏起來的呢？答案就是——彎曲的空間。我們都知道，光在同中均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的。這是一個(gè)最基本的常識?？墒歉鶕?jù)廣義相對論，空間會(huì)在引力場作用下彎曲。這時(shí)候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強(qiáng)大的引力把它拉得偏離了原來的方向。

在地球上，由于引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會(huì)落入黑洞中消失，可另一部分光線會(huì)通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。所以，我們可以毫不費(fèi)力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。

更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時(shí)看到它的側(cè)面、甚至后背！

“黑洞”無疑是本世紀(jì)最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動(dòng)的天文學(xué)說之一。許多科學(xué)家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過，這些當(dāng)代天體物理學(xué)的最新成果不是在這里三言兩語能說清楚的。有興趣的朋友可以去參考專門的論著。

黑洞分類按組成來劃分，黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋轉(zhuǎn)的巨大的暗能量組成，它內(nèi)部沒有巨大的質(zhì)量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部產(chǎn)生巨大的負(fù)壓以吞噬物體，從而形成黑洞，詳情請看“宇宙黑洞論”。暗能量黑洞是星系形成的基礎(chǔ)，也是星團(tuán)、星系團(tuán)形成的基礎(chǔ)。物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成，具有巨大的質(zhì)量。當(dāng)一個(gè)物理黑洞的質(zhì)量等于或大于一個(gè)星系的質(zhì)量時(shí)，我們稱之為奇點(diǎn)黑洞。暗能量黑洞的體積很大，可以有太陽系那般大。但物理黑洞的體積卻非常小，它可以縮小到一個(gè)奇點(diǎn)。

參見天文學(xué)主題

物理主題

黑洞

史提芬·霍金

黑洞謬論

海森堡測不準(zhǔn)原理

虛粒子

訊息佯謬

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所