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引力强大的黑洞,也会失去质量,霍金辐射到底是怎么辐射?

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黑洞是宇宙中一种极为特殊又极为强大的天体,其引力强大到连宇宙中最快的光子都无法从事件视界中逃脱。

如此说来,黑洞似乎是一个只进不出的绝对深渊,但事实却与我们想的并不一样,所有的黑洞都在失去质量,尽管这个过程十分缓慢。黑洞是如何失去质量的?在宇宙中,万事万物都存在着一个熵值,它代表了系统的无序程度,任何孤立系统的熵值都只会自发增加,当熵达到最大,系统也就彻底走向了无序。一直以来,人们认为宇宙中唯一没有熵的就是黑洞,但雅各布·贝肯却不同意这个看法,他提出了一个观点:黑洞有熵。



贝肯的看法一时间引起了激烈的讨论,理论物理学家斯蒂芬·霍金更是认为这是无稽之谈。

原因很简单,如果一个系统有熵,那它就必然具有温度,而任何有温度的物体都会向外辐射能量,黑洞的引力如此强大,怎么会向外辐射能量呢?为了结束这个没有意义的讨论,霍金决定通过自己的计算来证伪贝肯的猜想,但最终霍金的计算方程却告诉他了另外一个结果,黑洞真的在向外辐射能量。此后,霍金通过反复检查和推导,最终确认了结果的正确性,并将这个结论命名为“霍金辐射”。



那么,霍金辐射到底是怎么辐射呢?

黑洞的质量是如何失去的呢?这就要从量子力学的第一原理说起了,也就是不确定性原理。对于“真空”这个概念,大多数人都认为就是“什么也没有”的意思,的确,在量子力学诞生之前,物理学家们也是这样认为的,但不确定性原理告诉我们:真空其实一点也不空。表面上看起来真空中似乎没有任何可见的物质,但事实上的真空却是无比热闹的,在那里有着一片无比喧闹的能量海洋。



大量的虚粒子对在真空中随机地凭空产生,而后又在一瞬间相互湮灭,将能量还给真空,这个过程非常快,时间短到几乎没有任何意义,所以才会使我们误以为什么都没有发生。

什么是虚粒子对?它们又是如何产生的?本质上讲,物质是能量的一种表现形式,两者可以相互转化。虚粒子对由一个正能量粒子和一个负能量粒子组成,它们因某种未知的原因能够从真空中借出能量,从而形成。然而,正负粒子相遇会发生湮灭,所以在它们产生的一瞬间便又消失了,将能量重新还给了真空。



这样的事情随时随地都在发生,由于虚粒子对的产生和湮灭都只在一瞬之间,所以并不会对物质世界造成什么影响,但当这种事情发生在一个特殊的地方时,情况就不同了,这个特殊的地方就是黑洞的事件视界。

当一个虚粒子对恰好诞生在事件视界的边缘,此时,由于黑洞的引力过于强大,离黑洞更近的那个粒子在产生的一瞬间就被黑洞拽进去了,于是另一个粒子便永远失去了它的伴侣。



一个粒子被拖入了黑洞的引力深渊,而另一个粒子被抛在了事件视界之外。

于是虚粒子对从黑洞中借出的能量没有办法全部还回去了,黑洞的质量也就随之减少了一点点。而那个被抛出去的粒子,如果是一个正粒子,它将成为外部世界的一员,如果是一个负粒子,它将会与外部世界的一个正粒子结合并湮灭,外部世界的能量会相应增加。由于霍金辐射的温度非常低,一个与太阳质量相仿的黑洞辐射温度也仅比绝对零度多了千万分之一度,远低于宇宙微波背景辐射温度,所以现在人类还没有办法探测到。

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