黑洞的命運：深度解讀霍金輻射！

相信大家有聽過這樣的解釋：

真空由于量子漲落會不斷的產生虛粒子，但憑空出現的粒子不符合能量守恒。

所以這些憑空出現的粒子是以一正一負粒子對的形式出現，它們出現一段時間后就會迅速的融合湮滅。

這樣就會再次化為虛無，把能量還給宇宙。

這是正常時空下的情景。

那當虛粒子對發生在黑洞的周圍時，事情就會變的很不一樣。

虛粒子對出現后，有一個粒子可能會被黑洞吞噬。

這樣它會一直向黑洞的奇點落去，永遠也無法出來。

這個時候那個沒有被黑洞吞噬的粒子就會很茫然，因為它們兩個是向宇宙借的能量才出現，之后它們兩個是要湮滅歸還。

可現在呢，它的伙伴被黑洞吞噬了，它無法再回歸虛無。

這就會讓它變成一個真實的實粒子存在于宇宙。

那在我們遙遠的觀察者眼中，它的能量就好像是來源于黑洞，而非憑空出現。

所以造成的結果就是：那個在我們看來只會吞噬一切的黑洞向外輻射了能量，從而它就會慢慢的消耗掉。

這樣的解釋霍金本人也在他的著作時間簡史中描述過。

不過對于這個解釋，一直有一些令人困惑的地方。

黑洞吞噬了粒子之后質量不是應該變大嗎？

按照上面那個解釋的說法是，黑洞吞噬的粒子只能是具有負能量的負粒子，所以它才會消耗黑洞的質量。

但虛粒子對既然是隨機發生，那落入黑洞的正負粒子的概率應是相同。

可為什么黑洞吞噬的總是帶有負能量的負粒子呢？

曾經有看過這樣的一個解釋是說：因為黑洞吞噬虛粒子對中的一個之后，外面的那個就會實體化，而為了保持能量的守恒，被吞噬的粒子只能是帶有負能量的粒子，這樣才能維持守恒的機制。

但這樣的解釋總感覺少了點什么。

所以我又查找了一些有關霍金輻射的文獻以及科普文章，想要深入的了解下霍金輻射。

有一個叫做伊桑西格爾的教授曾對霍金輻射做了一些解釋。

根據伊桑的說法。

前面我們提到的那個虛粒子對的形式，只是一個簡化版的解釋，它是為了讓公眾更加直白的明白霍金輻射的產生。

但簡化也就意味著我們會忽略一些細節。

什么細節呢？

我們所在的宇宙充滿了各種不同的場，像希格斯場、電磁場。

這些場都在以不同的頻率震動，就好像波動的湖面那樣，當場處于波峰的激發態時，看起來就像是有粒子出現，而當波峰消失時就是粒子的湮滅。

因為它們無法長時間的傳播，所以不是真實的粒子。

但和湖面波動不同的是，場具有正頻的波動和負頻的波動，處于真空的基態時，兩種震動剛好可以互相抵消。

所以看起來就是什么也沒有。

這也就是真空的零點能。

位于平坦時空中的零點真空，不管我們身處什么位置，觀察到的應該都具有相同的值。

那當量子場位于彎曲的時空時會是同樣的值嗎？

這就是霍金輻射背后的關鍵點，而霍金也正是認識到了這一點并做了計算，計算黑洞周圍與遙遠平坦空間的量子零點差異。

按照霍金的計算模式。

平坦時空零點真空是因場中各頻率的震動相互抵消。

但當存在黑洞的強彎曲的時空時，彎曲的時空會破壞這種平衡，從而改變真空的狀態。

怎么改變呢？

其中有一部分模式的震動會被黑洞的引力場散射或者增強，這就會使得原本看起來平靜的量子場出現波峰。

波峰是什么呢？

就是我們看到的粒子實體化。

而散射或者增強量子場所需的能量會減少該區域的空間曲率。

這樣看起來就像是黑洞在慢慢的縮小。

那這一解釋也預示著，霍金輻射不僅局限于事件視界面，任何使得時空彎曲的大質量天體也有可能發生霍金輻射，像中子星白矮星這些。

2023年發表于物理學評論快報的一項研究也討論的這個問題：中子星等其它物體也有類似霍金輻射的蒸發。

但需要強調的是，雖然關于霍金輻射的研究已有很多很多，裂變出的解釋也已五花八門。

可它也僅僅只是理論的推測，目前我們并沒有真正的觀測到過霍金輻射。