新浪博客

问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

2022-10-31 11:32阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2614811577

问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？
1974年，史蒂芬·霍金表明了甚至黑洞不会永远活着，而是发射辐射并最终蒸发。这里是怎样的。
STARTS WITH A BANG — OCTOBER 28, 2022
Ethan Siegel
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？
在霍金的最著名书《时间简史》中，他做出空间被充满粒子-反粒子对和对的一个成员能逃逸（携带正能量）而另一个成员落进（携带负能量）导致黑洞衰变这样一个类比。这种有缺陷的类比继续困惑一代又一代的物理学家和外行一样的人.(Credit: Ulf Leonhardt/University of St. Andrews)
关键要点
黑洞是整个宇宙中最密的天体，在一个有如此多的质量以至于空间变得如此严重的弯曲的位置没有任何信号甚至光能逃脱。但在1974年，史蒂芬·霍金表明了一组量子过程当与围绕黑洞的背景空时结合了时造成它们来蒸发。支撑霍金辐射的后果黑洞蒸发被人们如此可怜的理解以致甚至霍金
错误的解释了它。这里是相反发生的。
我们的在20世纪期间多快先进的宇宙的理解真的是一个奇迹。在20世纪初，我们仅开始来揭开现实的量子本质，还没有移动超越牛顿引力的约束，也没有像黑洞这样的天体物理天体存在的观念。到20世纪70年代，我们已经进步到一个始于热大爆炸的充满了星系、恒星和恒星残骸、在那里这个宇宙基本上是量子的被现在所谓的标准模型显著准确的描述的广义相对论规制的宇宙。
1974年，史蒂芬·霍金提出一篇革命性的论文，教了我们黑洞不会永远活着，而是通过一个内在的量子和相对论过程蒸发，现在名为霍金辐射。但怎样发生的呢？这就是拉尔夫·威尔兹想知道的，他问：
我以为我已经理解它了：在事件地平线的边界，一个电子和正电子对经由不确定性原理被短暂一刻创造。电子正好逃逸，正电子被吸进……瞧有一个电子质量从这个黑洞消失。但现在这个黑洞已经没有被另一个正电子质量变胖吗？我的误解在哪里呢？”
很难为这个责怪你的误解。毕竟，如果你读过霍金的著名书《时间简史》，这是他怎样------不正确的，你注意------解释它。如此实际真相是什么呢？
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

M87中黑洞的偏振观望。这些线标记偏振的方向，这被与围绕黑洞阴影的磁场相关。注意这张图片出现比初始的更多少漩涡的，这是更像圆斑一样的。所有的超大质量黑洞都将展示印在它们的辐射上的偏振签名充分的被预计，一个需要广义相对论与电磁学相互作用来预测的计算。此外，在事件地平线之外，由于空间本身的曲率霍金辐射，一个少量的辐射恒定的被发射，这将最终对这个黑洞的衰变负责。(Credit: Event Horizon Telescope collaboration)
让我们从一个物理黑洞本身的概念开始。有几种来形成一个黑洞的方法：
从大量气体的直接坍塌，
从一颗超大质量恒星的核坍塌，
从物质吸积到一个致密的恒星残骸导致物质的核结构一个崩溃，
或者从两个中子星的合并，
除别的外。一旦足够的质量被一起聚集进一个足够小的体积，一个事件地平线形成。在这个事件地平线内，没有任何信号从来能向外传播超过它，甚至如果它们以宇宙内允许的最大速度光速移动。
从黑洞外面，任何穿过事件地平线的东西都将不可避免地被拉进中心奇点。但黑洞外的任何天体，给定足够的能量和/或速度（在正确的方向上）毕竟都有逃脱它的引力拉力的可能性。当然，这包括真实的粒子如光子、电子、质子等等。但在一个量子宇宙中，也有存在于整个空间中的量子场，甚至在事件地平线本身的边界附近。在这些量子场中一个常见的波动的可视化是粒子-反粒子对的自发创造，它利用能量-时间不确定性关系来在极短的时间周期上短暂地创造这些实体。
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

一个量子色动力学的可视化说明作为海森堡不确定性的一个结果粒子/反粒子对怎样在非常少量的时间蹦入蹦出量子真空。量子真空是有趣的，因为它要求空的空间本身不是如此空而是充满了所有的粒子、反粒子和被量子场论要求的描述我们的宇宙的各种状态的场。把这些放在一起，你发现空的空间有一个实际上大于零的零点能量。(Credit: Derek B. Leinweber)
这些场波动是非常真实的，并发生在甚至缺乏任何“真实”粒子。在量子场论的背景下，一个量子场的最低能量状态对应于没有粒子存在。但激发态或对应于更高能量的态对应于要么粒子要么反粒子。一种常用的可视化是来思考空的空间为真的空的，但被短暂蹦入蹦出存在在一会儿后湮灭掉回到虚无的真空的粒子-反粒子对（因为守恒定律）充满。
正是在这里霍金的著名图片------他的十足不正确的图片------进来发挥作用。他断言在整个空间中，这些粒子-反粒子对正在蹦入蹦出存在。在黑洞内部，两个成员都呆在那里、湮灭并没有发生什么。远在黑洞之外是同样的交易。但就在事件地平线附近，一个成员能落进而另一个逃逸，带真正的能量走开。他宣称这就是为什么黑洞失去质量、衰变的，而这也是霍金辐射源自的地方。
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

对霍金辐射怎样发生的最常见、最不正确的解释是一个与粒子-反粒子对的类似。如果一个有负能量的成员落入黑洞的事件地平线，而另一个有正能量的成员逃逸，这个黑洞失去质量和流出的辐射离开这个黑洞。这种解释已经误导了一代又一代的物理学家并来自霍金他自己。(Credit: Physics Feed)
这是我我自己是一个理论天体物理学家从来听到的黑洞怎样衰变的第一个解释。如果这个解释是真的，那会意味着：
霍金辐射是由粒子和反粒子的50/50混合组成，因为哪个成员落和哪一个逃脱将是随机的，
所有造成黑洞来衰变的霍金辐射，都将被从事件地平线本身发射
每一个被黑洞发射的霍金辐射的量子一定拥有一个巨大的能量：足以从刚好事件地平线外逃脱黑洞的令人难以置信的引力拉力。
值得注意的是，这三点中的每一个都是不真实的。霍金辐射几乎完全的由光子组成，而不是一个粒子和反粒子的混合。它被从事件地平线外的一个延伸到事件地平线半径的10-20倍的大区域发射，而不仅仅就在表面。发射的单个量子有跨几个数量级的微小动能，而不是大的几乎同一的能量值。
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

无论是在一个史瓦西黑洞的事件地平线内外，空间要么像一个移动的人行道要么像一个瀑布流动，取决于你想要怎样可视化它。但在事件地平线之外，由于空间的曲率辐射被产生，带走能量并造成黑洞的质量随着时间慢慢缩小。(Credit: Andrew Hamilton/JILA/University of Colorado)
为什么霍金选择了这个令人难以置信的有缺陷的错误的类比是他带走的一个秘密。这是一个奇怪的选择，鉴于它与他在他写的科学论文实际（正确的）的解释无关。如果你遵循这个错误的解释，你会得到错误的粒子类型被发射，错误的它们的能量谱，以及你能发现被发射的粒子的位置的错误位置。此外，或许一个甚至更大的进犯是它已经导致几代外行人和物理学家一样的人来不正确的思考支撑霍金辐射的过程。这太糟糕了，因为实际的科学故事，虽然稍微复杂一些，但更启发的。
空的空间确实真的有它全有的量子场，而这些场真的确实在它们的能量值中有波动。在“粒子-反粒子对产生”类比中有一个真相的萌芽，它是这样的：在量子场论中，你能通过添加包括这些粒子的产生的图表来建模空的空间的能量。但这只是一种计算技术；这些粒子和反粒子不是真实的而相反是虚拟的。它们实际上并没有被产生，它们不与真正的粒子相互作用，它们也不能被任何办法检测。
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

几个贡献到量子电动力学中的零点能量的。由于费曼、施温格和托莫纳加这一理论的发展导致了他们在1965年获得了诺贝尔奖。这些图表可能会使它看起来像粒子和反粒子正在蹦入蹦出存在一样，但这只是一个计算工具；这些粒子不是真实的。(Credit: R. L. Jaffe, Phys. Rev. D, 2005)
由相同的方程和相同的基本常数规制的同样的物理定律相等的适用于跨整个宇宙的每个位置和每个时刻。因此，对宇宙内的任何观察者，源自于这些量子场的“空的空间的能量”这我们称之为零点能量无论它们在哪里都将有同一值。然而，相对论的规则之一是不同的观察者将感知到他们自己和他人之间不同的现实。特别是：
观察者处在对彼此相对的运动中，
以及在空时曲率不同的空间区域内的观察者，
彼此关于空间和时间的性质将不一致的。
如果你远离宇宙中每个质量源，如果你没有正在加速，而且你的空时曲率是忽略不计的，你将体验一定的零点能量。如果其他另外的人位于一个黑洞的事件地平线但处于自由落体中，他们将有一定的零点能量他们将测量有你有的当你无限远离事件地平线时的同一值。但如果你两个试图来调和你的与彼此的测量值，将你的零点能量映射到他们的零点能量（反之亦然），这两个值会不一致的。从彼此的角度，空的空间的零点能量在两个位置之间是不同的，这取决于两个空间相对于彼此多被严重弯曲的。
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

一个点质量的严重的弯曲空时的说明，它对应于被位于一个黑洞的事件地平线外的物理场景。随你在空时中越来越接近质量的位置，空间变得更被弯曲，最终导致一个从中甚至光不能逃脱的位置：事件地平线。在不同位置的观察者将对量子真空的零点能量不一致的。(Credit: JohnsonMartin/Pixabay)
这是霍金辐射背后的关键见解，也是为了推导霍金辐射需要来发生的关键计算。量子场论计算通常是在支撑的空间是平的和不弯曲的假设下进行的，这通常是一个极好的近似，但不是那么接近一个黑洞的事件地平线。史蒂芬·霍金他自己知道了这一点，1974年当他第一次著名的推导了霍金辐射时这正是他进行的计算：计算从围绕一个黑洞的弯曲空间到无限远的平坦空间量子场中零点能量的差异。
这个计算的结果允许人们来确定从一个黑洞发放的辐射的属性。
辐射并不是特别的从事件地平线发生，而是从整个围绕它的弯曲空间。
辐射的温度变得取决于黑洞的质量，更高质量的黑洞产生更低温度的辐射。
这个计算预测辐射的光谱：一个完美的黑体，表明光子的能量分布和------如果通过E=mc²有足够的能量可利用也对大质量粒子和反粒子如中微子/反中微子和电子/正电子。
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

黑洞的事件地平线是一个球形或球状区域，从中没有东西甚至光能逃逸。但在事件地平线之外，黑洞被预计来发射辐射。霍金的1974年工作是第一次来证明这个，这也可以说是他的最大的科学成就。(Credit: NASA/Dana Berry, Skyworks Digital Inc.)
第一点特别的被低估了：霍金辐射并不专门的源自黑洞的事件地平线本身，而是来自围绕黑洞的一个扩展的区域，在那里空间的曲率是重大的不同于扁平的、不弯曲的空间。虽然大多数图片和可视化显示一个黑洞的霍金辐射100%来自事件地平线本身，更准确来描述它为被在一个跨越约10-20个史瓦西半径（事件地平线的半径）体积上发射，在那里你越远辐射逐渐减少掉。
这种类型的辐射发生在任何你有一个事件地平线的地方；不仅仅围绕黑洞的事件地平线。作为一个壮观的例子，宇宙拥有一个宇宙的事件地平线：一个在那里超过某个点由于宇宙的膨胀区域进入被切断的区域。由于暗能量的存在和属性，从任何静止的观测者的角度将有一个连续量的热辐射被发射。甚至进入任意遥远的未来，这意味着宇宙将总是充满一个微少量的黑体辐射，有一个最低的温度为10-30 K的峰值。
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

就像一个黑洞一致的以霍金辐射的形式在事件地平线外产生低能量的热辐射一样，一个有暗能量的加速宇宙（以宇宙常数的形式）将一致的以一种完全类似的形式产生辐射：由于一个宇宙事件地平线的温伦辐射（Unruh）。(Credit: Andrew Hamilton, JILA, University of Colorado)
霍金的“粒子和反粒子自发的蹦入蹦出存在”解释的问题的核心是一个他自己的理论过于简单的解释，在于他将作为一个计算工具有用的东西作为某些我们的物理现实的部分的东西混为一谈。从一个黑洞附近发射的辐射存在，撕出量子真空中的粒子-反粒子对不存在。没有有负能量的虚拟粒子（或反粒子）落入黑洞；事实上直到黑洞几乎完全蒸发为止并且有足够高的能量允许它们的产生没有作为霍金辐射的部分的任何真的大质量的粒子。当它们做时，粒子和反粒子应该被以相同的数量创造，物理定律似乎不更喜欢一种类型而不是另一种类型的。
真正发生的是，由于围绕黑洞的曲率梯度黑洞周围的弯曲空间正在恒定的发射辐射，而这种能量的来源是黑洞本身。结果，黑洞的事件地平线随着时间慢慢缩小，在这个过程中增加发射的霍金辐射的温度。
问爱善：霍金辐射怎样导致黑洞蒸发呢？

虽然没有光能从一个黑洞的事件地平线逃逸，但它外部的弯曲空间造成事件地平线附近不同点真空状态之间的一个差异，导致经由量子过程的辐射的发射。这就是霍金辐射来自的地方，以及对从来发现的最低质量的黑洞霍金辐射将导致它们在约10^68年内完全的衰变。对甚至最大质量的黑洞，由于这个确切的过程存活超过约10^103年是不可能的。(Credit: The EU’s Communicate Science)
黑洞没有因为有一个携带负能量的虚拟粒子有一个向内落正在衰变；这是被霍金设计的另一个来 “拯救”他的不足类比的幻想。相反，黑洞正在衰变并随着时间失去质量，因为由霍金辐射发射的能量正在缓慢地降低该区域中空间的曲率。一旦足够的时间经过，对真实质量的黑洞持续时间大约从10＾68年到10＾103年，这些黑洞将完全的蒸发。
空时是弯曲的是确定的真的，相当严重的，就在一个黑洞的事件地平线之外。量子不确定性是我们的宇宙的存在的一个内在部分也是真的。但霍金辐射并不是从事件地平线发射的粒子和反粒子。它不涉及一个向内落携带负能量的对成员。它甚至不应该专门对黑洞的。霍金他自己知道这一切，但他不管怎样还是选择了他做的解释，现在我们都必须用这个决定的后果活着。然而，物理的真相最终总是胜出，而现在你知道了一个更完整、更真实的其中黑洞来蒸发的辐射来自哪里的故事！
发送你的问爱善问题到 startswithabang at gmail dot com!
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/hawking-radiation-black-hole-evaporation/

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享