黑洞的诞生标志着大质量恒星的死亡,但是黑洞是不是也会死亡呢?实际上确实很有可能,而黑洞的直接死因可能就是——霍金辐射。
在介绍霍金辐射之前,我们需要先聊一聊量子场论中的真空的概念。大家或许经常听到一个说法叫真空不空,看似一无所有的真空实际上充斥着各种各样粒子的场,电子场,夸克场,希格斯玻色子场……,而基本粒子们则是各自的场所对应的激发态,正粒子对应正的频率,反粒子对应负的频率。在真空中,所有场都处在最低的能量状态,但是由时间能量不确定关系,在极短的时间内,场可能因为能量涨落而激发产生虚粒子,这种涨落通常是正负频率同时发生的,对应于一对儿正反粒子的产生。不过不用担心,这种方式产生的正反虚粒子对儿很快就会湮灭将能量重新还给真空,除非,这个过程发生在黑洞的视界附近。
在之前我们提到,黑洞存在一个边界,一旦进入这个边界,即使是光也无法逃脱,这个边界被称为黑洞的事件视界,假如有一对儿正反虚粒子在黑洞的事件视界边缘产生,一个粒子在黑洞的视界内,一个粒子在黑洞的视界外,视界内的粒子由于黑洞强大的引力而被拉进黑洞,由于动量守恒定律,视界外的粒子则会朝着相反的地方飞去,从外界看起来,就像黑洞向外发出了辐射,这种辐射就是霍金辐射,但是正反虚粒子对本来应该湮灭将能量归还,可现在一个粒子带着能量自己飞走了,这份从真空中“借“出的能量总得有人去还,而这个将能量还给真空的角色只能由黑洞来扮演了。因此霍金辐射将会使黑洞损失能量,视界面积减小,最终黑洞将为自己的贪吃付出代价,彻底消失。
霍金辐射有个非常有趣的特点,那就是越小的黑洞,霍金辐射越剧烈,相应的黑洞的寿命越短,越大的黑洞反而霍金辐射越弱,黑洞的寿命越长。譬如一个几倍太阳质量的黑洞其温度只有10-8K,而其寿命则比宇宙年龄还大1058倍。如果想在今天的宇宙中探测到霍金辐射,那么我们需要一个质量小于1012千克的黑洞。因此,霍金辐射这个想法虽然非常有趣,但是至今未能得到实验验证。所以即使霍金依然在世,恐怕也很难凭借霍金辐射获得今年的诺贝尔物理学奖。
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