🌉 👧🏾 👶🏽 询问伊桑57号：黑洞如何死亡？ 👦🏾 👨🏾‍🤝‍👨🏽 🌓

宇宙中最密集，最重的物体生活了很长一段时间，但并非永远存在。那么他们发生了什么

在事实发生之前，像个孩子一样坐下来，准备摆脱任何偏见，谦虚地跟随自然的深渊不会引导到什么地方和什么，否则你将不会学到任何东西。
-T.G.赫T黎

想象黑洞时，您可能会想到超密度和非常大的空间部分，从那里无法逃脱。没关系，没有反物质，甚至没有光！您也可以认为他们继续吃掉所有不幸碰到他们的东西，甚至是暗物质。但是在某个时候，宇宙中的任何黑洞不仅会逐渐增长，还会开始减少，失去质量，直到完全蒸发！本周在我们的专栏中，我们将回答帕维尔·朱热尔斯基的问题，他问：

我经常看到霍金辐射的解释，例如：“成对的虚拟粒子出现在事件视界上。一个人掉进了洞里，另一个人逃走了，带走了一块质量的洞。” 通常在小字体中表示这是一种简化。也许是这样-因为如果一个粒子落入孔中，其质量应随粒子的质量而增加。有什么收获？

这是一个非常复杂的话题，但我们可以理解。让我们从讨论空白空间开始。

在相对论的一般理论中，时空有着错综复杂的联系，并构成了时空的四维结构。如果您从所需点无限远处移除了宇宙中的所有粒子，如果您从等式中移除了空间扩展的事实，如果您还消除了所有类型的辐射以及空间中固有的曲率，则可以声称创建了一个平坦的空白空间。

但是，当您开始考虑自己生活在宇宙中时，所有粒子及其相互作用均受量子场论控制，那么您将不得不承认，即使没有物理粒子，控制它们相互作用的物理场也不会随处可见。其后果之一是，我们认为是“平坦的空白空间”的实体无法摆脱能量。相反，您需要将平坦的空白空间想象为量子真空，那里到处都有量子场。

您可能熟悉这样的想法，即在宇宙的量子尺度上，特定参数的空间存在固有的不确定性。我们不能同时知道一个粒子的位置和动量，而我们测量得更好的一个粒子，第二个粒子的不确定性就越大。不确定性的相同关系是能量和时间的特征，这对我们现在很重要。

如果您观察到您想象中的空白空间，但同时在某个时间点观察到它，则需要考虑这一瞬间是一个无限小的时间段。由于存在这种不确定性关系，因此即使此时处于空白空间，所包含的能量总量也存在很大的不确定性。这意味着，原则上可以存在很短时间内存在的几对粒子和反粒子，同时它们遵循物理宇宙中有效的已知守恒定律。

我们经常听到诸如“粒子-反粒子对在量子真空中出现并消失”之类的解释，尽管这种解释很清楚，但实际上并没有发生。在某种意义上说，没有真正的粒子，如果您通过该空间区域发射光子或电子，它们将永远不会从量子真空粒子反射。该描述使我们有机会研究量子真空中固有的“颤抖”，并表明存在虚拟粒子的存储库，这使我们能够将空白空间中固有的能量解释为所有这些虚拟粒子的总和。

我再说一遍，因为这很重要：在空白空间中本身就有能量，并且可以表示为该空间中固有的量子涨落之和。

让我们继续前进。想象一下，空间不是平坦而空的，而是仍然是空的，而是已经弯曲的-也就是说，空间的引力场存在偏差。

我们的量子涨落会是什么样？特别是，如果我们允许空间由于存在黑洞而翘曲，那么它们在事件视界的内部和外部将如何看待？

这些问题很好，通常在寻找答案时，您会看到以下（不正确的）图片，这是Paul问题的本质：

如果您将粒子/反粒子对想象为真实的，并且如果一个远离黑洞而另一个远离事件的视线，那么事实证明宇宙中的能量增加了：一半在黑洞之外，另一半则达到黑洞的质量。但是这些成对的粒子和反粒子不是真实的，仅代表可视化和计算空间固有能量的一种方式。

事实是，如您所记得，在弯曲的空间中，重力场存在偏差。我们使用波动来帮助可视化空白空间中固有的能量，但是波动可能会发生，这些波动从事件视界外开始，然后在消失之前落入视界内。但是，能量不能从空旷的空间中窃取-必须采取某种措施来保存它。因此，每当虚拟粒子（或反粒子）落入内部时，真实的光子（或其中的一组）就应该出现补偿现象。而离开事件视界的这个真实光子将能量从黑洞中带走。

当一对粒子中的一个掉下来而另一个粒子跑掉时，我们先前用来可视化该过程的方法太幼稚而无法使用，因为减少黑洞的产生不是通过粒子或反粒子来实现的，而是通过与黑体光谱相对应的光子来实现的。

尽管它还很幼稚，但我更喜欢更好的图片。想象一下量子波动，其中每当您有一对反粒子粒子（其中一个向内落入）时，就会出现另一对反粒子粒子，而另一对则落入内部。来自粒子和反粒子的蒸气残留在外部而消失，发出真实的光子，而落在内部的蒸气则从黑洞中吸收相应的质量（E = ms ²）。

这仍然不是理想的类比（因为这只是类比），但是至少光子会离开其中的事件视界，这与霍金辐射的预测相对应。实际上-尽管您必须在弯曲的时空中进行量子场理论的计算以找出答案-Hawking辐射预测光子光谱将对应于一个完全黑体，其温度为：

对于质量等于太阳质量的黑洞，温度将低于一微开尔文，对于在我们银河系中心的黑洞，其温度将低于一微微开尔文，对于已知的最大黑洞，其温度仅为阿托·开尔文的十分之一。这种辐射所对应的减少率是如此之小，以至于黑洞即使在吸收与我们宇宙年龄相当的时间内吸收一个质子的情况下也会增长-这种现象将持续约10至²⁰年。

此后，与太阳重合的黑洞最终将因霍金辐射而开始平均损失，能量平均超过其吸收的能量，并且将在10 ⁶⁷年后完全蒸发，而在10 ^100年后将最大蒸发掉岁。这可以大大超过宇宙的年龄，但不是永恒。并且它们将因霍金辐射而减少，从而发射光子。

结果是：空空间的零能级能量不等于零，并且在弯曲空间中，在黑洞的事件视界上，出现了绝对黑体的低能发射光谱。该辐射将质量从黑洞中带走，并随时间轻微压缩事件范围。如果您坚持将辐射源表示为粒子/反粒子对，请至少一次想象两个对。然后一对中的粒子和另一对中的反粒子particle灭，产生离开黑洞的真实光子，另一对虚拟粒子落入黑洞并吸收其能量（或质量）。

所以黑洞会死！帕维尔（Pavel），感谢您提出的伟大问题，如果您有任何疑问或建议，请将其发送给我。

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宇宙中最密集，最重的物体生活了很长一段时间，但并非永远存在。那么他们发生了什么

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