霍金辐射是怎样让黑洞损失质量的？

未知 2019-11-13 11:42

霍金辐射是怎样让黑洞损失质量的？

黑洞是一个质量极大、密度极高、空间曲率极端扭曲的天体，在黑洞视界面内没有任何东西可以逃脱引力的束缚。甚至是宇宙中没有质量且速度极高的光线！不仅如此，黑洞还会吞噬周围的物质甚至包括暗物质。然而，在某一时刻，宇宙中的每一个黑洞的质量不仅会停止增长，而且最终会衰减收缩、失去质量，直到完全蒸发！这就是我们熟悉的「霍金辐射！」

我们经常看到对霍金辐射的解释是这样的「一对虚拟粒子出现在视界面上。一个粒子不仅落入黑洞，另一个粒子带着黑洞的质量发生了逃逸。」这个解释是不是有点过于简化了，这里就有一个问题「如果一个粒子也同时落入了黑洞，那黑洞的质量应该也在增加，至少保持不变吧？

关于这个问题，让我们从讨论什么是真空开始说起吧。

在广义相对论中，空间和时间错综复杂地联系在一起，构成了时空的四维结构。如果我们把宇宙中的所有物理粒子都拿走，把空间膨胀停下来，把所有形式的辐射也一并移除，甚至把空间本身的固有的曲率也去掉，那么宇宙还剩下什么？在经典物理里，我们就可以宣称我们创造了一个平坦，绝对空旷的空间。

但是，我们的宇宙是一个经典物理支配的宇宙吗？不是的，这是一个由量子场论支配所有粒子及其相互作用的宇宙，在量子层面上我们必须认识到，即使没有物理粒子的存在，支配粒子相互作用的物理场仍然存在。一个受量子力学控制的宇宙就导致了，我们之前所认为的“平坦、空旷的空间”并不是真的真空。相反，在量子真空里，量子场无处不在。

我们很熟悉这样一个概念，在宇宙的量子尺度上，当涉及到某些特定的物理量时，量子存在固有的不确定性。我们不可能同时知道一个粒子的位置和动量，对其中一个的测量越好越精确，另一个性质的不确定性就越大。这种不确定关系同样也适用于能量和时间这两个量。

我们认为空无一物的空间，在一个特定的瞬间里，（瞬间是一个无穷小的时间量），由于时间和能量的不确定性关系，此时空间的总能量在这个瞬间有很大的不确定性。这意味着，理论上在任何给定的时间内，只要遵守物理宇宙中所有已知的守恒定律，空间就会出现一些粒子/反粒子对，然后又瞬间发生湮灭。

真空中的量子涨落

我们经常会听到这样的描述「粒子-反粒子对在量子真空中进进出出」，这个说法为我们提供了一个很好的视觉效果模拟(上图)，但这些正反粒子对并不是真正的粒子，而是虚拟粒子，也就是说它们不是真实存在的，如果我们向空间发射一个光子或一个电子穿过上图中的空间区域，电子和光子永远不会从虚拟粒子上反弹回来，也就是说它们不会碰撞，不会相互作用。相反，这为我们打开了一扇窗，让我们看到了量子真空固有的“不确定性”，并向我们说明，空间存在一个虚拟粒子池，我们可以把空间本身固有的能量当作所有虚拟粒子的总和。

也就是说：真空空间本身具有固有的能量，如果我们考虑空间内固有的所有量子涨落并把它们都加起来，这就是能量的来源。

在我们的宇宙中，存在着大量的物质，很显然我们的空间并不是平坦的而弯曲的，这意味着在空间的引力场中有一个梯度。例如下图中的太阳、白矮星、中子星和黑洞这样的天体。

那么空间中的量子涨落在黑洞的视界面上会发生什么？

下图就是一个比较简单、直观的变现。虚拟的正反粒子对不断地出现，有些不幸落入黑洞，另一个发生逃逸。

如果我们认为粒子/反粒子对是“真实的”粒子，如果一个粒子从黑洞的视界逃逸，另一个粒子掉进去，那么我们就会认为宇宙的能量增加了，一半在黑洞的外面，一半在黑洞的质量上。但这对粒子和反粒子并不是真实存在的，它们只是可视化和计算空间本身固有能量的一种方式。

这些虚拟的粒子一出现就会立即湮灭，把能量归还给宇宙！但会有一些波动从黑洞的视界外落入视界内，我们不能从空无一物的空间中窃取宇宙的能量；所以就需要一种机制来不偿能量或者说给以宇宙归还能量（真实粒子就不存在这样的问题）。所以每次一个虚粒子（或反粒子）掉入黑洞，一个实体光子（或一组光子）就需要出来对宇宙进行补偿。离开视界面的真实光子就是能量从黑洞逃逸的方式。