黑洞如何蒸发，史蒂芬霍金辐射与量子纠缠之间有什么联系，本文为你解惑

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黑洞到底是如何‘蒸发’掉的？

英国物理学家斯蒂芬·史蒂芬霍金这一生最重要的发现可能就是他发现了黑洞并不是永恒的。

图解：黑洞正在吸入星际物质。图源：Forbes

1974年，物理学上的一个重大发现向我们揭露了黑洞并非永生，而是不断地以辐射的形式极其缓慢地失去能量，这个过程就叫做史蒂芬霍金辐射。这周我们栏目的问题由斯宾塞缪勒提出：

“自从史蒂芬霍金发现了史蒂芬霍金辐射的存在之后，科学类出版界将其描述成----因为一对量子纠缠在一起的粒子在事件视界附近同时产生，其中一个粒子被黑洞吸入，另一个则以史蒂芬霍金辐射的形式逃逸了，造成了黑洞的‘蒸发’，进而导致黑洞最终完全被‘蒸发’掉。问题是，如果有一个粒子被黑洞吸入，为什么反而黑洞还会变小呢？难道在常理看来不应该导致其质量的增加吗？”

这个问题的确很大，而且充斥着误解，其中有很多的误解都是由史蒂芬霍金的解释造成的。下面由我来一步一步解释。

图解：弗拉姆抛物面，为史瓦西求出的精确解之可视化图。图源：Forbes

本月是天文学家卡尔·史瓦西利用球对称首次求出爱因斯坦场方程精确解的百年纪念日，这个精确解描述了一个由质量巨大的奇点以及其周围一个事件视界所构成的时空。史瓦西也意识到，质量如此大，密度如此高，就连光都无法在其引力下逃逸的时空，这样的时空只可能是一个黑洞。

长久以来人们认为，如果我们将足够大的质量塞入一个足够小的空间，任何物体都必然在重力的作用下塌陷成一个黑洞。而且不论初始质量的结构，奇点都将是一个点，事件视界都将是球形的。事实上，能改变事件视界唯一因素只有黑洞的质量。

图源：Forbes

之前的一个观点是，当黑洞吸入越来越多的物质导致其质量增加，体积变大，这样的过程会一直持续下去，直到吸光了宇宙中所有的物质（也就是宇宙末日）才会停止。

然而后来物理学家们发现，构成宇宙的微小粒子实际遵循的是另一套法则----量子力学。粒子通过自然界四力彼此相互作用，每种基本相互作用都可以表示为一组量子场。

若想知道两个带电粒子如何相互作用，或是光子之间的作用，我们需要用到量子电动力学或是量子力学中的电磁交互。那么造成强核力的粒子之间的交互（也就是质子或其他原子核之间的束缚力）呢？这就需要用到量子色动力学，或是量子力学中的强相互作用。再比如放射性衰变就需应用到量子力学中的弱相互作用了。

然而，以上的几个相互作用力显然还不够解答事件视界周围交互的问题。总的来说，我们还需要其他两点，第一点很容易得出的：在量子的世界中，我们还没有重力的交互作用，因为我们没有建立重力量子理论。另一点可能比较难看出来：我们在上一段提到的三个量子理论，通常情况下只在扁平空间或是在重力交互可以被忽略不计的前提下有效（这样的时空在广义相对论中被称作闵可夫斯基空间）。然而在黑洞的附近，空间是极度扭曲的，这被称作史瓦西空间，而不是闵可夫斯基空间。

图源：Forbes

那么我们提到的量子场在一个扭曲的空间（比如在一个黑洞附）中会发生什么改变呢？史蒂芬霍金于1974年就向世人展示了在黑洞附近扭曲时空中的量子场的变化----它们会发散特定温度的黑体辐射。这个特定的温度（与通量）与黑洞的质量大小成反比，因为事件视界处空间的曲度与黑洞的质量成反比。

在史蒂芬霍金的《时间简史》一书中，他写到，空间中的真空其实是由一对对虚粒子的正反粒子所构成的，它们可以突然消失或者出现。他解释道，在一个黑洞附近，有时候这一对粒子中的一个会掉入事件视界，然而另一个却仍然在事件视界之外。当这个发生时，在外的粒子将带着正能量逃离黑洞，而这对量子纠缠在一起的另一个粒子将带着负能量进入事件视界，导致黑洞的能量减少。

图解：一对量子纠缠的粒子，一个被吸入事件视界，另一个却逃逸了。图源：Forbes

这样的解释当然不是完全正确的。首先，辐射不仅仅只来自事件视界的边缘，而是其周遭的空间都将发散辐射。然而，对此最错误的解释就是以为黑洞会向外发射光子（而不是正粒子与反粒子）。更不用说，如此低能量的辐射根本无法产生正反粒子对。

我本人也试图通过强调这些是虚粒子（一种将量子场可视化的方式）来改进这种解释。 这些根本不是真正的粒子。 但是，量子场的这些特性确实可以产生真正的辐射。

图解：黑洞边缘附近的能量增减。图源：Forbes

然而，这也不完全正确。 这意味着在事件视界的附近，辐射是巨大的，而在离得很远时辐射才会变小，温度才会变低。 实际上，辐射在任何地方都是很小的，并且只有很小一部分辐射可以成功被上溯到事件视界去。

真正正确的解释要复杂得多，这种简单化的解释终归有其局限性。 问题的根源在于不同的观察者对粒子有不同的感知，并且该问题在曲面空间中比在扁平空间中更为复杂。 基本上，某个观察者将看到一个空间里什么也没有，但是一个正在加速运动的观察者将看到该空间中的粒子。 史蒂芬霍金辐射从根本上与观察者的位置以及加速与静止观测到粒子的不同都有很大的联系。

图源：Forbes

当我们去凭空创造一个黑洞时，我们需要加速在事件视界之外的粒子，使它们最终到达事件视界之内。这个过程就是黑洞会发射辐射的起因。史蒂芬霍金的计算也告诉了我们这整个过程需要多长时间才能结束：对于一个和太阳质量相同的黑洞，总共需要10^67 年来发射掉所有能量；对于一百亿倍于太阳质量的黑洞来说，可能需要10^100年。要知道，我们的宇宙从诞生到今天才不过10^10 年。而且，这个‘蒸发’的速率极其缓慢，起码需要10^20年之后才能超过黑洞质量增长的速率（偶尔与星际质子，中子或电子碰撞）。

简单来说，史蒂芬霍金的答案是错误的，因为他把问题过度的简化了。一个稍微好一些的答案可以是这样的：不是黑洞本身发射辐射，而是被黑洞吸入的物质导致了辐射的产生。而黑洞周围极度扭曲的空间造成了发射之慢。如果你想了解更加专业的解释，我推荐以下三人的书：萨宾·霍森菲尔德，约翰·拜艾兹，史蒂夫·吉丁斯。（顺序由易到难）

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

FY: 神灵之踹

作者: Ethan Siegel

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原文地址：今日头条