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黑洞辐射

黑洞辐射英语:Hawking radiation)是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射。此理论在1974年由物理学家史蒂芬霍金提出。有了霍金辐射的理论就能说明如何降低黑洞的质量而导致黑洞蒸散的现象。

霍金辐射英语:Hawking radiation)是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射。此理论在1974年由物理学家史蒂芬霍金提出。有了霍金辐射的理论就能说明如何降低黑洞的质量而导致黑洞蒸散的现象。 [1]

而因为霍金辐射能够让黑洞失去质量,当黑洞损失的质量比增加的质量多的时候就会造成缩小,最终消失。而比较小的微黑洞的发散量通常会比正常的黑洞大,所以前者会比后者缩小与消失的速度还要快。

霍金的分析迅速成为第一个令人信服的量子引力理论,尽管目前尚未实际观察到霍金辐射的存在。在2008年6月NASA发射了GLAST卫星,它可以寻找蒸发的黑洞中γ射线的闪光。而在额外维度理论,高能粒子对撞也有可能创造出会自我消失的微黑洞。

2010年9月,一项模拟重力研究的结果被部分科学家认为是首次展示出霍金辐射的可能存在与可能性质。然而,霍金辐射仍未被实际观测到。

黑洞是一个万有引力极大的地方,它周围的物质会被重力拉进去。以经典力学上来说,它的引力超强,甚至电磁辐射波也无法逃脱。目前虽尚未了解如何统一重力与量子力学,但远离黑洞之处的重力效应却微弱到依然可以使计算结果符合弯曲时空的量子场论框架。霍金表示量子效应允许黑洞发射精确的黑体辐射。这电磁辐射仿佛被一个温度和黑洞的质量成反比的黑体发出。

举例来说,一太阳质量的黑洞的温度仅有60nK;事实上,黑洞会吸收比自身发射要多得多的宇宙微波背景辐射。一个质量为4.5×10kg的黑洞(与月球质量相近)的温度会保持在2.7K,并吸收与其发射数量相等的辐射。更小的原生黑洞则会散发比自身吸收更多的辐射,因此逐渐失去质量。

在没有霍金辐射的概念以前,物理界有一个难题,就是如果把有很多熵的东西丢进黑洞里,那岂不是把那些熵给消灭掉了吗?但是熵在宇宙里是永增不减的,因此这代表黑洞应该也有很多熵,而有熵的任何东西都会释放黑体辐射,因此黑洞也会释放黑体辐射?但释放的机制又如何?霍金辐射就解释了黑洞释放黑体辐射的机制。根据海森堡测不准原理,在真空中会瞬间凭空且自然地产生许多粒子-反粒子(虚粒子)对,并且在极短的时间内成对湮灭,在宏观上没有质量产生。

雅可夫鲍里索维奇泽尔多维奇、雅各布贝肯斯坦和史蒂芬霍金等物理学者将量子力学和广义相对论结合起来,结果显示视界的温度并非是零,而且还会发光,虽然极其微弱。这种光就是所谓的“霍金辐射”;当成双成对的粒子如电子和正电子,或一对光子在强烈的引力场中被制造出来时,其中一个粒子会坠入黑洞,另一个会逃离,从而产生这种辐射。

如果一个粒子对在黑洞附近形成,由于黑洞的引力场很强,导致配对诞生的正反粒子被扯开,有可能有一个跌入事件视界,而另一个没有,从而被黑洞的引力提升成实粒子。但这样就违反了能量守恒定律,所以另一个粒子的质量一定是从黑洞本身的质量而来这就是黑洞释放辐射的一个简化解释。

基本上,大质量的黑洞可存活比较久一些。一般恒星死亡产生的黑洞可以活10年,而超大质量黑洞则可以活10年,霍金辐射也可以说明为什么我们无法观测到宇宙诞生时所产生的微黑洞,因为它们已经蒸发殆尽。

绝对真空违反了量子力学中的测不准原理,所以并不存在。当空间趋向绝对真空的过程中会产生虚粒子对,两个粒子对撞后又会消失,这样即不会违反量子力学,也不会违反物质守恒。当这种量子现象发生在黑洞的视界边缘,视界之外的虚粒子因为在视界之外,所以可以被观测到,从而变为实粒子,而视界之内的虚粒子因为在视界之内,所以会被黑洞吞噬,不会被观察到。因为视界之外的粒子是带有质量的真实粒子,由质量和能量守恒定律,视界之内被黑洞吞噬的粒子有负质量,所以黑洞的质量会因为这样的作用而减少。从外界看来,黑洞好像在慢慢蒸发。黑洞越小,蒸发速度越快,直到黑洞完全的蒸发。但由于这样的作用极为缓慢,和太阳质量一样的黑洞需要用大约10年来蒸发0.0000001%的质量。

那么,黑洞是怎样形成的呢?其实,跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。

这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),正像我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系“黑洞”诞生了。

与别的天体相比,黑洞是显得太特殊了。例如,黑洞有“隐身术”,人们无法直接观察到它,连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢?答案就是弯曲的空间。我们都知道,光在同中均匀介质中是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线。形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

在地球上,由于引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。

更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的侧面、甚至后背!

“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出。不过,这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

按组成来划分,黑洞可以分为两大类。一是暗能量黑洞,二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成,它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转,其内部产生巨大的负压以吞噬物体,从而形成黑洞,详情请看“宇宙黑洞论”。暗能量黑洞是星系形成的基础,也是星团、星系团形成的基础。物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成,具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时,我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大,可以有太阳系那般大。但物理黑洞的体积却非常小,它可以缩小到一个奇点。

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