问伊桑：黑洞实际上是如何蒸发的？

斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的最大发现也许是黑洞不会永远存在的原因，也是他在物理学家中如此著名的原因。



它们通过1974年发现的称为霍金辐射的过程，在极长的时间内辐射出能量。本周，一位读者问了以下问题：

自从科学出版物中发现霍金辐射以来，由于在事件视界附近纠缠粒子的自发出现，它被描述为黑洞逐渐蒸发。他们说，一个粒子被吸入BH，另一个粒子飞走并成为霍金辐射。由于这种辐射，BHs逐渐减肥，结果完全消失。问题是，如果一个粒子掉入黑洞而第二个粒子飞走，为什么黑洞会变小？相反，她不应该增加体重吗？

这个大问题包含一些误解，其中一些是由于霍金本人的过错引起的。让我们弄清楚！



早在101年前，人们就发现了广义相对论的第一个精确解决方案：时空，它描述了事件视界包围的巨大奇点。这个发现是由卡尔·史瓦兹尔德（Karl Schwarzschild）做出的，他立即意识到他已经描述了BH：物体如此密集，巨大，甚至光线也无法从其引力中逸出。

长期以来，人们认为，如果将足够多的质量聚集在一起，并将其推入足够小的空间区域内，重力将无法逆转至BH状态，并且无论初始质量配置如何，奇点将是一个点，事件视界将是一个球体。科学家唯一感兴趣的参数-事件范围的大小-应该仅由黑洞的质量决定。



随着BH吸收越来越多的物质，其质量会增加，尺寸也会增加。长期以来，人们一直认为这种情况会持续下去，直到没有任何东西可供吸收，或者直到宇宙的尽头到来。

但是，这一规定有所改变。我们宇宙的革命性发现是由微小的不可分割的粒子组成，这些粒子遵循自己的定律（即量子定律）。粒子通过各种基本相互作用彼此相互作用，每个基本相互作用都可以表示为一组量子场。



是否想知道两个带电粒子如何相互作用，或光子如何相互作用？所有这些都由量子电动力学或电磁相互作用的量子理论控制。负责强相互作用的粒子又如何：将质子和其他粒子保持在原子核中的力呢？这是量子色动力学，或强相互作用的量子理论。放射性衰变呢？这是弱核相互作用的量子理论。

但是该套件缺少两个组件。一个简单的注意：在量子世界中，由于我们没有量子引力理论，因此没有考虑重力相互作用。第二种更为复杂：提到的三种量子理论通常在平面空间中起作用，在平面空间中可以忽略重力相互作用。 GR中与此对应的时空称为Minkowski空间。但是在黑洞旁边，空间弯曲并变成了Schwarzschild空间。



这些量子场不是在空旷的平坦空间中发生，而是在BH附近的弯曲空间中发生了什么？霍金在1974年解决了这个问题，表明这些电场在黑洞附近的弯曲空间中的存在会导致在一定温度下出现黑体的热辐射。 BH越大，温度和流量就越小，这是因为对于更大，更大质量的BH，事件水平线上的空间曲率较小。

在通俗的科学书《时间简史》（在宇宙学和相对论物理学领域仍然是亚马逊的第一名）中，史蒂芬·霍金描述了由成对的虚拟粒子/反粒子组成的空间真空，这些虚拟粒子/反粒子出现和消失。据他说，在BH旁边，有时该虚拟对的两个组件之一有时落在事件范围之外，而另一个仍然在外面。正如他所写的那样，在这一刻，这对夫妇的外层成员以真实的正能量逃跑，而内层成员具有负能量，由于这一点，BH质量下降，导致其逐渐蒸发。



自然，这样的图片是不正确的。对于初学者来说，辐射不仅来自BH事件视界的边缘，而且来自其周围的整个空间。但是，此过程的最大错误在于实际上BH发射光子，而不发射粒子和反粒子。实际上，辐射的能量非常低，以至于根本无法产生粒子/反粒子对。

我试图改善对正在发生的事情的解释，强调我们在谈论虚拟粒子，即一种可视化自然界中量子场的方法。这些不是真正的粒子。但是这些特性会导致并导致出现实际辐射。



但这并非完全正确。这种解释意味着，离事件视线不远的地方，辐射会很强，并且仅在距BH较远的地方才会显得微弱和低温。实际上，辐射在任何地方都是很小的，并且只有很小比例的辐射可以与事件范围本身相关联。

真正的解释要复杂得多，并表明此原始图片有其局限性。问题的根源在于，不同的观察者对正在发生的事情和粒子的感知有不同的了解，并且在弯曲的空间中，这个问题比在平面中的问题要复杂得多。简而言之，一个观察者将看到空的空间，而另一个观察者将快速移动，将看到其中的粒子。霍金辐射的本质与观察者所在的位置以及他所看到的东西持续相关，这取决于他是以加速还是运动的方式休息。



通过在不存在BH的地方创建BH，可以将粒子加速到事件范围之外，最终落入该范围内。这个过程是辐射的源头，霍金的计算结果表明，随着时间的流逝，这种蒸发过程会持续多长时间。一个质量为1太阳蒸发量的BH将需要10 ⁶⁷年。对于宇宙中最大的黑洞，重达100亿个太阳，将需要10 ¹⁰⁰年。此外，当今宇宙的年龄只有大约10 ¹⁰年，而且蒸发速度是如此之小，以至于BH由于与星际质子，中子或电子的随机碰撞而开始以比它们增长更快的速度蒸发之前，要过10 ²⁰年。

因此，简短地回答读者的问题，我们可以说霍金绘制的图片过于简化，以至于变得错误。更长的答案是辐射的出现是由于物质的BH下降引起的，而且由于事件视界周围的空间非常弯曲，因此在如此长的时间段和如此大的空间中，这种辐射的发射是如此缓慢。对于更长的技术性解释，我建议（增加复杂性）参考Sabina Hossenfelder，John Baez和Steve Giddings的文章。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN400705/