时间简史Black Holes Ain't So Black－7

The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

7—Black Holes Ain’t So Black

 

黑洞有一个边界，我们称之event horizon, 由正好不能外逃的光线界定。所有从外部进入event horizon的物体和在event horizon内部的物体都不能外逃，因而event horizon没有缩小的可能。相反，由于物体不断跌入黑洞，或者两个黑洞合并，event horizon 有不断扩大的趋势，这个现象跟热力学中的entropy（混乱度）非常相似。

 

热力学第二定律认为，一个独立系统的混乱度是不断增加的，当两个独立系统合并成一体，它的混乱度大于这两个独立系统混乱度的总和。跟其他科学定律不同的是，这个定律有它的局限性，即它并不适用于所有而只适用于大多数事件。

 

根据热力学第二定律，物体跌入event horizon后会增加黑洞的entropy（混乱度），而这个混乱度可以由测量event horizon的面积大小来表示。如果黑洞具有entropy，那么黑洞必然有温度，而一个带有温度的物体必然具有放射性。现在许多科学家通过不同的计算发现黑洞不但具有放射性，还发射微粒子。而且，黑洞的温度与它的质量成反比，质量越大，温度越低，质量越小，温度越高。

 

任何在黑洞event horizon内的物体都不可能逃离黑洞，为什么黑洞看上去还在释放微粒子？答案是，我们所看见的微粒子，不是来自于黑洞本身，而是来自于处于event horizon外面的空间！

 

虽然宇宙空间看上去像是空的，实际上它仍然受重力场和电磁场作用。根据不确定理论，这个重力场和电磁场具有微小的波动性，我们叫它量子波动，可以用光粒子或重力粒子以对（particle/antiparticle pair）的正负形式来表现。这个成对的粒子有时同时出现，有时互相远离对方，有时两者碰撞而一同毁灭。不同于那些可以被仪器观察到的真粒子，这些粒子和我们一般讨论的太阳重力粒子一样，是虚拟的。这些成对的粒子一方含正能量，另一方负能量。一般状态下真粒子都带有正能量，而那些带有负能量的虚粒子的生命期必定很短，不停寻找它的另一半一起同归于尽。在黑洞里，万有引力非常巨大，可以把一个跌落黑洞的带负能量的虚粒子转化成一个真粒子或anti粒子，在这种情况下，它不再去毁灭它的同伴。而被它抛弃的另一半，也许会跌落黑洞，或者，因为带有正能量，它也许会成为一个真粒子或anti粒子远离黑洞的event horizon。对于我们观察者来说，这个远离的粒子好象是从黑洞中辐射出来的。黑洞越小，带负电的虚粒子转化为真粒子的距离越短，它的辐射就越强，温度也越高。

 

向外辐射的粒子正能量中和掉跌落黑洞的粒子负能量，根据爱因斯坦的方程式E=mc^2，能量正比于质量，因而流入的负能量会中和掉黑洞的重量，导致黑洞减轻。黑洞重量减少，它的event horizon就相应缩小，黑洞内部的混乱度就会减弱，但是它减弱的混乱度（entropy）会由向外辐射的真粒子的混乱度补足，因而黑洞辐射并不违反热力学第二定律。

 

黑洞的质量越低，辐射度越高，它的温度也越高。当黑洞减轻时，由于温度和放射度同时升高，又加快了它失去重量的速度。当一个黑洞的重量变得非常小的时候，在最后消失前会爆发出相当于几百万个氢弹的辐射。黑洞的辐射同时包括X射线和伽马射线。

 

黑洞辐射论是把广义相对论和量子力学结合起来分析的预测结果。

 

注：根据wikipedia，黑洞辐射论又称Hawking 辐射论：黑洞辐射降低了黑洞的质量和能量，所以黑洞会逐渐变小并最终消失。相对于大型黑洞，小型黑洞辐射出更多的射线因而收缩和消失得更快。