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黑洞之旅_(德)海诺·法尔克,(德)约尔格·罗梅尔著;闫文驰译(霍金辐射) 第(2/2)页

但这就像金融危机一样:只要没有人注意到,所有的债务都尽职尽责地支付,拆东墙补西墙的把戏就会奏效;当有风暴的时候,事情就会出错。然后,水滴被赶过海面,在港口码头溅起水花。大海似乎失去了水,而你在陆地上会被打湿。不过,大海是吹不空的,更别提还有河流和雨水总是在重新填满它。

正是这样一个过程——根据霍金的说法——也发生在黑洞的边缘。事件视界是时空之海中的海岸。风暴是黑洞,这里没有风的能量,但有引力的能量。

霍金在他的公开演讲中这样描述这一过程:一对粒子和反粒子的孪生子在黑洞的边缘产生,并从其强大的引力场中借用能量。在他们重聚之前,其中一个人消失在事件视界中。幸存的双胞胎不能再与它的反双胞胎结合,并逃到无限大的空间中。短暂的粒子对因此突然变成了一个永久的单粒子。

但是用这种粒子支付的能量债务已经无法偿还,这是一笔失败的交易。黑洞借用了两个粒子,但只拿回了一个。因此,它失去了能量和质量。这就仿佛有一阵稳定的微风将颗粒状的水花吹走,并让你在岸上感受到一阵微风吹来的水花。看起来黑洞正在辐射。这就是这个已故的英国人在1975年首次描述的霍金辐射。

这只是非常简略地介绍了霍金对粒子和反粒子的描述,从概念上描述了量子理论中的计算方法。实际上,霍金辐射最终发射出来的不是物质粒子,而主要是光子,也就是光,而且波长比黑洞本身长。辐射也不是直接在事件视界上产生的,而是来自黑洞周围的广阔区域。这更像是引力场的辐射。

从形式上讲,这种黑洞辐射也可以被描述为热辐射。一杯热咖啡在一段时间后会冷却下来,即使你盖上盖子,没有水蒸发。杯子产生热辐射是因为杯子表面的原子由于热量而轻微振动,并辐射出量子光粒子。德国物理学家马克斯·普朗克在1900年发现了这种辐射的特性,为量子理论奠定了基础,并将其与热力学——热的理论——联系起来。任何不透明的黑色物体在热的时候都会辐射——不管它是由什么构成的,也不管它的形状如何。

因此,热咖啡杯中也有量子物理学在发挥作用,主要产生的是近红外辐射。这导致它失去能量并慢慢冷却下来。热像仪可以看到这种光,而我们的眼睛却看不到。但我们的手在接触杯子之前就已经感受到了这种辐射。几乎可以说,人通过不可见的光感受到杯子里的量子震**。

热辐射的数学形式看起来总是一样的,只取决于温度:温度越高,光的频率就越高。这就是为什么加热的铁首先在近红外范围内发出肉眼不可见的光,然后是明显的红色,然后是淡黄色,然后是白色——因为越来越多的高频率颜色被加入。恒星甚至可以发出蓝色的光芒,因为它们比烧红的钢铁还要热。

至少在理论上,霍金辐射的黑洞可以发出完全相同的辐射。所以你可以给黑洞分配一个温度,而这个温度只取决于它们的质量。它们越小,就显得越热。根据霍金的说法,一个质量约为月球0.5%的黑洞将与新煮的黑咖啡一样热,并会以同样的方式辐射。当然,二者的味道是有些不一样的。

霍金辐射导致黑洞失去能量,从而失去质量——毕竟,质量等于能量,正如爱因斯坦最著名的公式所说。然而,与咖啡杯不同的是,如果不加理会,咖啡杯会因热辐射而降温,而黑洞却会因其辐射而变得越来越热。它变得越小,温度就越高,黑洞的辐射效率就越高。最终,它以几乎无限的热量爆燃了。这可以解释为什么小黑洞似乎不会在自然界出现。一个质量相当于两辆160吨柴油机车总和的黑洞会在短短一秒钟内爆炸。

天体物理学的黑洞则不同。即使是质量约为1亿吨的小行星伊卡洛斯变成的黑洞,其寿命也与宇宙的寿命差不多,然后才会消亡。一个质量相当于太阳的黑洞需要1067年才能做到这一点,而M87*需要1097年的时间,令人难以想象。

我曾经试图将其形象化,但就是行不通。如果你把整个已知宇宙的质量——即所有存在于太空某处的恒星、行星和气体云——聚集在一起,形成一个巨大的物质海洋,每10亿年从这个物质海洋中捞出一个微小的质子,那么由于霍金辐射,宇宙仍然会比M87*快一亿倍地消失。

此外,在黑洞消失之前,宇宙必须完全灭亡,变为空虚和黑暗。这是因为宇宙中的每一个气体粒子、每一个光波都会导致黑洞继续增长。因此,在比我们所能想象的要长得多的时间尺度内,像M87*这样的超大质量黑洞只会不断变大。来自M87*的霍金辐射是如此微弱,以至于没有任何探测器能够在我们的宇宙寿命内开始探测它,就算我们让探测器飞过去也一样。

即便如此,黑洞理论上也可以蒸发,释放出曾经被困在里面的一切。没有什么会是永恒的——甚至黑洞也不会。

在霍金辐射的计算中,事件视界的存在是至关重要的,但如果霍金辐射真的是引力场的衰变,我甚至可以想象,最后中子星甚至普通物质也会在一个类似的过程中衰变,从而使所有的引力场重新消解为光。但在这一点上,这纯粹是猜测。

起初有光,最后宇宙中也许又只剩下光了——如果在那之前没有任何令人兴奋的新情况发生的话。

在我们关于这幅图像的新闻发布会结束时,欧盟专员卡洛斯·莫埃达斯引用了斯蒂芬·霍金的句子:“黑洞并不像它们被描绘的那样黑。它们不是曾经被认为的监狱。物质可以从黑洞中出来,既可以向外,也可能进入另一个宇宙。因此,如果你觉得你在一个黑洞中,不要放弃!你可以在这里找到你想要的。有一条出路。”

这是一场令人印象深刻的新闻发布会的一个令人鼓舞的结束。那么,黑洞是否允许我们在经历了地狱之后,继续用这个比喻,在霍金那里获得复活?黑洞是否只是通向真正启蒙之路上的暂时炼狱?

让我们不要被这种虚幻的希望所误导。在我死后,哪怕是假设忽然有阵无名狂风,在我的身体在火葬场燃烧的时候聚集我的骨灰和烟雾,把我散落到世界各地的遗体重新组合成人,也比我再次逃离黑洞的可能性大得多。

然而,理论物理学家并不满足于这种实际操作意义上的不可能性。仅仅是有丝毫可能性的前景就使他们陷入最大的混乱之中。


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