爱读书 探索 黑洞是如何蒸发的?霍金在《时间简史》中向我们撒了一个谎

黑洞是如何蒸发的?霍金在《时间简史》中向我们撒了一个谎

黑洞是如何蒸发的?霍金在《时间简史》中向我们撒了一个谎

在斯蒂芬·霍金的科学生涯中,最伟大的思想就是改变了我们对黑洞的认知。“霍金辐射”证明了黑洞会蒸发,也证明了黑洞并非漆黑一片。

1974年,在黑洞熵概念的启发下,霍金将量子力学与相对论相结合,发现了黑洞会蒸发的秘密。1988年,在他那本具有里程碑意义的科普巨著《时间简史》中,霍金以一种通俗易懂的正反虚粒子对的概念,描述了一幅令人印象深刻的黑洞蒸发图景:

一对在黑洞事件视界附近产生的正反虚粒子,一个不小心掉进了黑洞,而另一个却成功逃逸,变成了一个实粒子,这就是我们现在所知道的“霍金辐射”的基本概念。

然而,这一图景却深深误导了我们几十年。虽然黑洞是在蒸发,但却不是霍金在《时间简史》中描述的那样。或许是为了配合当时人们的知识储备,霍金用了一个具象、易记的简化图景,科普了黑洞这一匪夷所思的性质,但如今是时候让我们来看看它真实的模样了。

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霍金研究的量子引力理论相对粗狂,但它描绘的图景确实更容易让人们理解与接受。

黑洞是如何蒸发的?霍金在《时间简史》中向我们撒了一个谎

凭空产生又湮灭的虚粒子对

在量子物理的图景上,真空永远不会是空的。平静的真空本质上是一片永无安宁的、混沌无序的、沸腾的量子海洋。由于海森堡的不确定性原理,即便在没有任何粒子的情况下,宇宙每一处的能量都会随时间而波动,这些能量的涨落十分真实。

似浪花,似泡沫,似花火,却比它们都更加神秘与诡异,不可描述。一种常用的可视化方法是把真空想象成真正的虚空,但是充满着正反粒子对,它们短暂地出现又消失,在我们看不见的地方上演着一场场创生与湮灭的洪荒大戏。

而黑洞实际上是将庞大的能量无限压缩进一个有限区域的产物,使得时空扭曲得连光都无法逃逸。任何冒险进入这个区域的事物都将被不可避免地被吸入中心奇点,而这个区域的边界被称为事件视界

正是由于以上这些被广泛接受的基础概念,霍金给出了如下这张不太正确的黑洞辐射概念图。

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垂直方向是时间线,中心的红管是在时间线上的奇点,黑色的圆柱区是事件视界,四周是无数的虚粒子对,掉入黑色阴影中的虚粒子将被黑洞吃掉,逃离的虚粒子转变为实粒子,带走真正的能量。黑洞就这样失去了它的质量,成为霍金辐射的能量来源。

然而,如果这个解释正确,那就意味着:

1、由于掉进黑洞与逃离黑洞完全是随机的,因此正反虚粒子的成功逃亡率应该是一样的;

2、所有引起黑洞蒸发的霍金辐射,都会从事件视界发出;

3、每一个辐射的量子都必须有巨大的能量,以便足以逃离黑洞,而不被黑洞吞噬。

但事实上,以上三点都不成立。霍金辐射完全由光子组成,而不是粒子和反粒子的混合物。它是从事件视界以外的一个大区域发出的,而不是在其表面。单个量子在相当大的范围内只有很小的能量。

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难道霍金不知道他的错误吗?

哦,不!事实上在霍金的科学论文中,他并不是这样解释黑洞辐射现象的。霍金明确知道这个类比的缺陷,但为了更直观地呈现给公众,他还是选择了这样的类比,就好像正确的作用机制无法用语言来描述一样。

然而,霍金所发现的真相其实并不复杂,且更具普世的启发性。

在量子场论的概念中,真空中充满着各种量子场。比如,产生质子的场,产生电子的场,产生中子的场……这些场叠加在我们的宇宙中,并无时无刻不存在能量的波动,这些波动正是“正反粒子对”概念的由来。因为我们所熟悉的计算手段都是基于质点计算发展起来的,所以出于计算技巧的考虑,正反粒子对作用机制更容易让我们计算出空间的能量。

然而这其中的过程却是虚拟的,这些正反粒子对也并不存在。它们不与真实的粒子相互作用,我们也完全检测不到。或许我们本不应该以粒子的概念来描述它们,但这样确实更容易计算出真空中存在的能量,我们称为“真空能”或“零点能”。

零点能作为宇宙的基态能量,对于宇宙中的任何一个观测者来说,无论何处应该都是一样的,或具有相同的参考性。然而,相对论却向我们揭示出了宇宙中最深刻的一条规则:相对运动中的观察者,或者说在不同时空曲率中的观察者,感知的现实会完全不一样。

当你离宇宙中一个质量源很远时,时空曲率可以忽略不计,这时你可以测得一个零点能。如果另一个人位于黑洞的视界,他也可以测得一个零点能。对于你或他附近的人来说,他们的测量值都是相同的。

但是,如果你试图将你的零点能对比黑洞视界附近测得的零点能(反之亦然),那么数值就不一致了。零点能之所以会变化,与这两处时空的弯曲程度差异有关。

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对于这一点,霍金是心知肚明的。在1974年,他第一次推导出霍金辐射时,他计算的正是量子场中零点能的差异。黑洞那种扭曲时空的变态能力,造成了它与平坦时空之间零点能的差异。

计算的结果还表明,黑洞辐射的温度取决于黑洞的质量——黑洞越小,辐射越强,而且黑洞辐射是一个完美的黑体辐射

所谓黑体,是指在任何条件下,可以完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的物体,而黑体辐射,就是它能将吸收的这些辐射完全转变为热辐射。

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为了强调黑洞会辐射这个惊人的结果,霍金弱化了他计算结果中映射出的一个比较有意思的细节,而这个细节也一直未被大众所重视,那就是黑洞所发射的辐射是从哪里来的?

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按霍金在《时间简史》里的描述,黑洞的辐射100%是从事件视界本身发射出来的,大多数图片也是这样显示的,但更准确的说,黑洞辐射是通过大约10-20个史瓦西半径(事件视界的半径)的体积中发射出来的。在那里,辐射随着远离视界面而逐渐减弱。

也就是说,黑洞辐射并不是完全源自事件视界,而是来自它周围弯曲时空的整体,甚至产生辐射的区域并没有明显的界限。这会得出一个惊人的结论:所有扭曲时空的塌陷物体都应该发射霍金辐射。

一些微小的,无从察觉的霍金辐射,淹没在了普通的热辐射范围内。根据计算,白矮星和中子星都会存在这种现象,因为它是一个正的,非零的值,它是可计算的,只取决于物体的质量,自旋和物理大小。

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至此,你应该理解,霍金对黑洞辐射解释的错误在于,他采用了一种方便计算的概念(虚粒子对的概念),把它当作相当于物理现实的概念。然而在现实中,黑洞辐射是发生在黑洞周围的弯曲空间中的,只是由于黑洞周围曲率梯度的不同,辐射的程度也不同,但能量都来自黑洞本身。因此,这导致黑洞的视界随着时间慢慢缩小。

虽然黑洞同样是在蒸发,但黑洞并不是由于一个带有负能量的虚粒子,导致的蒸发,这仅仅是霍金为大众想象出来的一场幻觉。

事实上,黑洞之所以蒸发,是因为量子效应试图抚平扭曲的时空,而霍金辐射发出的能量正在慢慢地减少时空在该区域的曲率。就像一个被激荡起涟漪的池塘,会随着时间被抚平,只是这种持续的时间对于黑洞来说是巨大的。


总之,虽然这两种描述的结果一样,但展现出来的物理图景完全不一样。但所有这一切都不会妨碍霍金在这方面取得的巨大成就,因为正是他认识到黑洞热力学、熵和温度之间的深层联系;正是他把微观的量子场论与宏观的黑洞附近弯曲空间的背景结合在了一起;正是他计算出黑洞所产生的辐射的性质和能谱。

因此,黑洞蒸发的方式以他的名字命名是绝对恰当的。霍金辐射永远是黑洞理论研究中的一个重大里程碑。

只是随着认知的更进一步,我们理应指出《时间简史》中关于霍金辐射类比的缺陷。霍金辐射不是粒子和反粒子从事件视界发射出来造成的。它也不涉及向内掉落,被吸食的携带负能量的粒子。它甚至不是黑洞所独有。

斯蒂芬·霍金知道黑洞是如何真正蒸发的,但他确实告诉了世界一个具有误导性,且不正确的故事。现在是该我们知道真相的时候了。

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