黑洞简史:(六)霍金辐射 不指定

positron , 2012/09/02 15:09 , 黑洞 , 评论(0) , 阅读(3134) , Via 本站原创 | |

对黑洞的早期认识是黑洞是只进不出的吝啬鬼,这从宇宙学角度来看,黑洞就是永恒的,黑洞形成以后,只会变大,不会变小,更不会消失。这预告了宇宙的一个可能终局:最后只剩下黑洞。但是1974年前后,霍金的发现改变了这一看法。

在霍金的工作之前,对黑洞的研究没有考虑量子效应。在考虑量子效应之后,利用弯曲时空的量子场论,霍金发现,黑洞会通过现被称为霍金辐射的方式丢失质量,从而变小乃至消失。

这首先要从量子场论说起。根据量子场论,真空并不是什么都没有,也不是平平静静什么都不会发生,而是不停地、大量地发生着真空涨落。方便起见,这里仅仅给出下面的解释:真空涨落中,每次产生一对虚粒子,一个是正能,一个是负能,总能量为零遵守能量守恒定律。但是由于不确定关系,它们存在的时间极短,产生后, 在极短的时间内便碰撞消失。且能量越高(质量越大)存在的时间越短,我们不可能测量它们以及这个过程,所以称其为虚粒子。

在通常情况下,这种真空涨落没有什么影响[],但是如果涨落发生在黑洞事件视界附近,情况就不同了。在黑洞事件视界附近,同样发生着真空量子涨落,不断地产生着正负虚粒子对。这里的粒子对产生后,会有三种结果:

1)在极短的时间内碰撞消失,这和通常的情况一样,不会带来新的效应;

2)两个一起被黑洞吸入,这对外界同样没有影响;

3)一个被黑洞吸入,而另一个没有,这种情况很有意思,值得探讨,下面详细讨论。

虚粒子一个留在外面,一个被吸入黑洞,因为失去了碰撞湮灭的对象,两个粒子都得以长期存在,即虚粒子对得以实化,成为实粒子长期存在。但是,在通常的真空中,不允许有负能实粒子存在,虽然允许负能虚粒子存在,但由不确定关系,其时间是极短的,不可测量。而在黑洞视界内部,却允许负能实粒子存在。黑洞内部和 外部真空的这种不同,就带来了一种不对称的、可观测的效应产生。

这种情况下,唯一的可能是负能虚粒子被吸入黑洞实化成为负能实粒子,而正能虚粒子在黑洞外面被实化成为正能实粒子。在这个过程中,黑洞因为吸收了一个负能实 粒子,从而使其质量减少;而外界在此过程中得到了一个正能实粒子。这个过程可以等价地理解为一个粒子从黑洞里跑出来,从而黑洞减少了质量。

以上是霍金辐射通俗的物理机理,霍金和其他科学家都通过严格的数学过程,从理论上证明了这一过程的存在。实际中,黑洞将和外界达到一个热平衡,当黑洞的温度低于外 界时(黑洞的温度与其质量成反比),黑洞将从外界吸收物质,并逐渐变大;而当黑洞的温度高于外界时,便会通过霍金辐射逐渐蒸发,并在蒸发到一定大小时,在最后的0.1秒蒸发变成爆炸,能量以极高温度的γ射线暴的形式释放。

通过计算,可以得到黑洞寿命为(只考虑数量级的计算):

这里,M 的单位为克。

即黑洞的寿命与其质量的三次方成正比。黑洞越小,辐射的越快,寿命越短。

根据计算,太阳质量的黑洞,半径约3km,温度仅K,远低于宇宙微波背景辐射的2.7K,这种大小的黑洞会不断的从外界吸收辐射和物质,不断长大。

对应于背景辐射2.7K温度的黑洞,质量为 kg,半径只有不到0.1mm;而寿命为当前宇宙年龄(以150亿年计)的黑洞,质量大约为 kg,半径仅 10-13 mm。所以,在宇宙早期极短环境中产生的黑洞,质量小于 kg的都已经蒸发殆尽,而质量在kg kg 之间的黑洞,正在蒸发消失,我们有可能探测到它们最后的爆炸。而质量再大的黑洞,由于温度低于背景辐射,会吸收能量并逐渐变大。

虽然,霍金辐射当前已经被学术界广泛接受,但30多年以来,仍然没有存在霍金辐射的任何强有力证据,否则霍金必然会将一枚诺贝尔物理学家收入囊中。2010年, 主要由意大利科学家组成的一个研究组声称在实验室中实现了霍金辐射,他们利用超短激光脉冲制造了一个与事件视界性质类似的环境,并探测到了光子的自发辐 射。不过,这项研究并没有得到学术界的广泛认可,依然存在着极大的争议。而且,鉴于意大利人总喜欢弄出类似的事情,如去年闹的沸沸扬扬的中微子超光速事 件,更让人怀疑他们的结果,即使他们的文章被影响因子很高的Phys. Rev. Lett.接收。

另外,于2008611日发射升空的费米伽马射线望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope,原名Gamma-ray Large Area Space Telescope, GLAST,大面积伽玛射线太空望远镜),其中一个任务就是探测可能存在的霍金辐射,不知费米望远镜是否会让霍金拿到那枚奖章。

附:一个计算霍金辐射和黑洞各种参数的网站,参数包括黑洞的质量、半径、表面引力、温度、寿命等,输入一个参数便可自动计算其他所有参数,并附有公式:

http://xaonon.dyndns.org/hawking/[注]

注:这个网址貌似被墙了,访问要翻墙(2013.10.24)。

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参考资料:

《广义相对论》刘辽、赵峥著,高等教育出版社;

《黑洞与时间的性质》,刘辽、赵峥、田贵花、张靖仪著,北京大学出版社;

《广义相对论与现代宇宙学》,须重明,吴雪君著,南京师范大学出版社。

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