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解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?

发布时间:2019-05-14 10:49:33  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:132

    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      当你掉进黑洞或者仅仅是非常接近事件视界时,它的大小和规模看起来比实际的大得多。对于一个观察你的外部观察者来说,你的信息将被编码在事件视界上。随着黑洞的蒸发,这些信息会发生什么还没有答案。
      宇宙中没有什么是永恒的。所有将要形成的恒星总有一天会燃烧殆尽;遥远的星系和星系团会被暗能量相互推开;即使是星系中的恒星,只要时间足够长,也会被引力抛射出去。然而,在星系的中心,宇宙中最大的单个物体即使在今天仍在形成和生长--超大质量的黑洞。最大的星体在一个被事件视界包围的奇点中包含了数百亿个太阳质量,这使它们成为我们所知的最大的个体实体。但即使是它们也不会永远活着。
      正如斯蒂芬·霍金在1974年发现的那样,黑洞最终蒸发了。这是一个怎样的故事?
    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      大约10^67-10^100年后,由于霍金辐射,宇宙的所有黑洞都将完全蒸发,这取决于黑洞的质量。
      你首先要考虑的是什么是真正的空白空间。想像你所能想象的空白空间,你会去除什么?
      首先,你可以把所有的粒子都取出来。任何物质,反物质,光子,辐射,或任何你能想象的东西都必须消失。你需要你的空间没有任何量子可能存在,否则将不会是空的。
      你还必须保护你的空白区域不受外界任何东西的影响。不应允许任何电场、磁场或核磁场(或核力)穿透它。
      即使是宇宙中其他事物的引力影响也必须被消除。这包括由任何和所有质量和所有形式的能量引起的空间曲率,以及任何引力波可能通过你所占据的空间。
    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      时空中的涟漪就是引力波,它们以光速向各个方向传播。引力效应必须从一个空间区域消除,才能得到真正被认为是“空的”东西。
      在我们的物理现实中,我们不能真正做到这一点,但在理论物理中,我们可以想象它。想象一个没有任何东西或影响它的空间区域。你唯一不能摆脱的东西就是时空本身,以及支配宇宙的物理定律。
      然而,即使我们将自己限制在这类虚空中,当我们计算空旷空间本身发生了什么时,我们会发现它并不是那么空。相反,由于量子物理仍然是真实存在的,空间结构中将会有一定数量的固有能量。宇宙中的一切事物都有内在的不确定性:不确定的位置,不确定的时刻,甚至是内在的不确定的能量。
      只有把时间和空间中的每一样东西都平均出来,我们才能获得任何关于空间是什么的有意义的信息。
      显示量子真空中的虚拟粒子的量子场论计算的可视化场景。即使在空旷的空间,这个真空能量也是非零的。在多元宇宙的其他区域中,它是否具有相同的、恒定的值,我们还不知道,但是没有动机这样做。
      空间的能量本身并不是我们在理论上可以从绝对意义上确定的东西;我们的计算工具不够强大,无法做到这一点。然而,我们可以通过绘制宇宙的扩张图来测量空间所固有的能量。我们越好地测量宇宙是如何膨胀的,我们就越好地约束暗能量的性质,暗能量似乎等同于空间的能量。这是对空间能量密度最好的绝对测量。
      而且,非常令人震惊的是,能量密度也不是零。宇宙的膨胀正在加速,这意味着空的空间本身有一个正的,非零的能量密度。
    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      无任何形状,任何类型的能量或曲率的平坦,空的空间。这就是所谓的闵可夫斯基(Minkowski)空间的时空解。然而,从我们对暗能量的测量来看,这个空间似乎有一个内在的非零能量。
      所以现在,用同样空的时空替换你的空的时空,只有一个例外:你在你选择的位置向下移动一个点质量。
      从技术上来说,你正在从闵可夫斯基空间变成史瓦西空间;在非技术术语中,你在你的宇宙中的每一个位置都增加了一个可变的空间曲率。你离质量越近,时空弯曲就越严重,甚至会有一个地方,不管你是哪种类型的粒子,无论你移动的速度有多快,或者你加速了多少,都不可能从那个区域逃出来。
      能够逃脱和不能逃脱之间的边界被称为事件视界,应该是存在于我们宇宙中的所有黑洞的属性。
    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      一个严重弯曲时空的图解,我们这边是黑洞的视界。随着你越来越接近质量的位置,空间变得更加弯曲,最终导致一个连光都无法逃脱的位置:事件视界。
      也许你在想,“好吧,有各种各样的粒子和反粒子不断地进出存在,填补空白。现在我们有了一个事件视界:一个什么都逃不掉的区域。因此,偶尔,在事件视界之外出现的粒子对中的一对可能会越过事件视界,进入事件视界内,然后它就可以消失了。另一个粒子可以逃逸,并像它那样把能量从黑洞带走。”
      既然能量必须守恒,你可以再拼凑一块拼图,声称能量必须来自黑洞本身的质量。这与霍金在解释霍金辐射时提出的解释非常相似,霍金辐射详细说明了黑洞是如何蒸发的。
      如果你把空旷的空间想象成充满粒子/反粒子对的泡沫,这些粒子/反粒子对可以进出,你就会看到来自黑洞的辐射。这种形象化并不完全正确,但它很容易被视觉化的事实也有它的好处。
      但是,从很多方面来看,这是不正确的。首先,这种视觉化不是真实的粒子,而是虚拟粒子。我们试图描述量子真空,但这些并不是真正的粒子。量子场论中的粒子-反粒子对仅仅是计算工具,而不是物理上可观测的实体。其次,离开黑洞的霍金辐射几乎完全是光子,而不是物质或反物质粒子。第三,霍金辐射的大部分不是来自事件视界的边缘,而是来自黑洞周围的一个很大的区域。
      如果必须遵循粒子-反粒子对的解释,最好尝试将其视为一系列四种类型的对:
      出-出,
      出-进,
      进-出,
      进-进。
      在那里,出-进和进-出对实际上相互作用,产生携带能量的光子,其中缺失的能量来自空间的曲率,而这反过来又减少了中心黑洞的质量。
    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      霍金辐射是黑洞视界周围弯曲时空中量子物理预言的必然结果。这张图表表明,产生辐射的是来自视界外的能量,这意味着黑洞必须失去质量来补偿。
      但是真正的解释并不适合于视觉化,这会让很多人感到困扰。你必须计算的是,在黑洞周围高度弯曲的区域中,空间的量子场论是如何表现的。不一定是在视界的正上方,而是在视界外一个巨大的球形区域。
      我们不能计算空间的绝对能量,不管它是弯曲的还是不弯曲的,但我们能做的是计算出空间和非空间在能量和量子真空性质上的差别。
      当你在弯曲空间中进行量子场论计算时,你会得出一个令人惊讶的解决方案:在黑洞事件视界周围的空间中发射出热的黑体辐射。并且视界越小,视界附近的空间曲率越大,霍金辐射的速率也就越大。
    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      黑洞的视界是一个球形或球形区域,任何东西,甚至是光,都无法从中逃脱。但在视界之外,黑洞预计会发出辐射。霍金1974年的工作第一次证明了这一点,可以说这是他最伟大的科学成就。
      真正的解释要复杂得多,这表明霍金过于简单化的形象是有其局限性的。问题的根源并不是粒子-反粒子对的出现和消失,而是不同的观察者对粒子有不同的看法,这个问题在弯曲空间比在平坦空间更复杂。
      基本上,一个观察者看到的是空的空间,而一个加速的观察者看到的是那个空间里的粒子。霍金辐射的起源与观察者所处的位置有很大的关系,他们所看到的加速辐射与静止辐射相比,也有很大的关系。
      其结果是,黑洞最终向其周围的各个方向发射热的黑体辐射(主要以光子的形式),覆盖的空间体积大多包含大约十个黑洞所在位置的史瓦西半径。
    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      模拟的黑洞衰变不仅会导致辐射的发射,还会导致中心轨道质量的衰减,从而使大多数物体保持稳定。黑洞不是静止的物体,而是随着时间的推移而变化。
      霍金的解释有很大一部分是正确的,那就是,如果有足够的时间,这确实意味着黑洞不会永远存在,而是会衰变。
      能量的损失降低了中心黑洞的质量,最终导致了总蒸发。霍金辐射是一个极其缓慢的过程,在这个过程中,我们太阳质量相当的黑洞将需要10^67年才能蒸发;银河系中心的黑洞将需要10^87年,而宇宙中最大的黑洞可能需要10^100年才能蒸发掉!每当黑洞衰变时,你看到的最后一样东西就是耀眼的、高能的辐射闪光和高能粒子。
    解读黑洞和时空,你知道黑洞蒸发需要多少时间吗?
      黑洞的衰变,通过霍金辐射,应该会在其生命的大部分时间里产生可观察到的光子特征。然而,在最后阶段,蒸发率和霍金辐射的能量意味着对粒子和反粒子有明确的预测,这将是独特的,并与没有黑洞形成的情况不同。
      是的,霍金最初描绘的粒子-反粒子对产生于视界之外,其中一个粒子逃逸并带走能量,另一个粒子落入黑洞并导致黑洞失去质量,这一点确实过于简单化,以至于完全错误。相反,辐射是在黑洞外形成的,这是因为不同的观察者对黑洞外强烈弯曲的空间中正在发生的事情不能达成一致,而且在很远的地方静止不动的人会看到一股稳定的热的、黑体的、低能量的辐射流从它发出。空间的极大曲率是造成这一现象的根本原因,导致黑洞慢慢蒸发消失。