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黑洞也会消失?竟是因为粒子逃脱,看霍金如何预测黑洞之死

时间:2019-08-29

一切都会最终消亡。

黑洞 - 隐藏在黑暗中的巨大空洞 - 怎么能成为例外呢?

首先,黑洞并不像字面意思那样黑。其次,黑洞会死亡,但它们的死亡往往伴随着明亮的火焰。

通过数百万年甚至数十亿年的热辐射,黑洞的质量将逐渐降低,直到没有剩余。这种热辐射过程就是我们所说的霍金辐射。

? cosmicvue/fotolia)

等一下.呃?

黑洞不应该吸收所有周围物质和电磁辐射吗?它为什么突然发光?吃吗?

如果这种情况只使用经典物理来解决问题,那么答案很简单 - 是的,黑洞被吃掉了。但在量子水平上,我们得到的结果将是不同的。

什么是黑体辐射?

黑体可以吸收所有指向它们的辐射并将其重新辐射到外面,重新发射的辐射是黑体辐射。黑体辐射的强度与黑体的温度成比例。由于热能在物体上具有均匀分布,物体的质量越大,其整体温度越低。

因此,可以说只有一小块黑体就具有足够高的温度来释放相当大的辐射。

那么黑洞和黑体之间的关系是什么?

我们都知道黑洞有巨大的引力。一般来说,黑洞的重力是如此之大,以至于没有任何东西可以逃脱它的控制,电磁辐射也不起作用。

当我们越来越远离黑洞时,引力效应将变得越来越弱。此时我们需要使用量子物理来研究没有质量的小粒子,因此可以忽略重力的影响。黑体辐射是由量子效应引起的。

Pixabay)

量子理论

当需要考虑引力时,量子理论通常被忽略,但霍金发现在黑洞的事件视界中(一旦交叉就无法返回的边界,即大质量物体产生的引力使得逃脱不可能),量子波动产生虚拟粒子(虚粒子将表现出一些正常粒子的特征,但它们的存在受到不确定性原理的限制,这将在后面进行分析)。这些虚拟粒子产生霍金辐射。

? Ahmed Neutron/Wikimedia Commons)

量子物理学指出真空不是空洞。

这可能难以理解,但由于不确定性原理,粒子和反粒子将在真空中相互消失并成对发出吱吱声。

?图:海森堡的不确定性原理

德国理论物理学家海森堡提出的开创性的不确定性原理指出,对于质量可忽略不计的微观粒子,不可能同时准确地测量其位置和动量。现代量子物理学建立在此基础之上。

这个理论对我们有何帮助?

当然有。

图:波尔关于量子的着名说法

从虚拟到现实

海森堡的不确定性原理证实了虚拟粒子的存在,即使它们不能被直接观察,它们也可以存在于量子物理学的各个方面。

为了保持空间的稳定性,虚粒子与正能量和负能粒子(即粒子和反粒子)成对出现,并且它们以指数速率出现并消失。

那呢??他们什么时候会成为真正的粒子

例如,当一对粒子中的一个足够接近事件视界并被吸入,而另一个粒子逃脱时,逃逸的粒子也会消除其湮灭。此时,逃逸的虚拟粒子成为真实粒子。因为逃逸的真实粒子不能具有负能量,根据能量守恒定律,吸入的粒子必须是负能量的反粒子。

因此,霍金辐射是指正粒子的逃逸。当物体表面反射光或自身发射辐射时,我们可以感知物体。同样,由于霍金辐射,黑洞也会略微发光,这就是为什么我们说黑洞并非都是黑色的。

蒸发黑洞

在得知黑洞并非都是黑色之后,让我们谈谈如何降低黑洞的质量。

如果逃逸的粒子使黑洞“不那么黑”,那么黑洞减少的质量必须与它吸入的负粒子有关。

这些负粒子的质量也是负的。虽然这听起来不切实际,但负质量会通过发射光子来降低黑洞的总动能。负质量的性能与经典质量或惯性质量相反。与正面质量不同,它们与所有其他形式的质量互斥。

? Francrotte/Wikimedia Commons)

总结

在知道黑洞将如何死亡后,让我再次添加它。不可能确认霍金的假设。

这是因为理论上存在于宇宙中的大质量黑洞具有极低的温度。如前所述,黑体的辐射取决于黑体的温度,而低强度的辐射难以观察。黑洞本身质量大,体积小。根据天体物理学的推理,小质量黑洞不应该完全存在!

天文学家首次发布了这些怪物的照片,这些怪物在4月10日吞噬了恒星,分散在整个宇宙中,被不可逾越的重力障碍遮挡。在图像中,黑色核心被橙色火焰等离子体和气体孔径所包围,这看起来与任何艺术家的渲染完全不同,这使得普通大众感到沮丧。但这一次是真的。一组射电望远镜永久记录了这个超大质量黑洞。它位于一个名为M87的星系中,距离我们5350万光年,大约是太阳质量的65亿倍,可以容纳整个太阳系。

Event Horizon Telescope/Wikimedia Commons)

你并不是唯一对你拍摄的照片不满意的人。

但是让我告诉你,要获得这个分辨率的图像,我们需要一个全球尺寸的望远镜,这是不切实际的。科学家们使用世界各地的八台望远镜同时观察黑洞发出的无线电波。通过在地球旋转时覆盖捕获的图像,您可以模拟地球大小的望远镜观测到的结果。但是M87中的黑洞并不是科学家们观察到的唯一黑洞。在光年中,也正在观察位于银河系中心的射手座A *。虽然距离更近,但黑洞的质量只是太阳的4百万倍,并且不太活跃,所以用望远镜完全观察它需要一段时间。

由于黑洞的巨大尺寸,观察霍金辐射是不切实际的,但就最近的趋势而言,更多的发现即将来临。

参考

1.WJ百科全书

2.天文名词

3.Dev Lunawat- Taroro

佐治亚州立大学

加州大学河滨分校

Scholarpedia

科学

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