時間簡史Black Holes Ain't So Black－7

The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

7—Black Holes Ain’t So Black

 

黑洞有一個邊界，我們稱之event horizon, 由正好不能外逃的光線界定。所有從外部進入event horizon的物體和在event horizon內部的物體都不能外逃，因而event horizon沒有縮小的可能。相反，由於物體不斷跌入黑洞，或者兩個黑洞合並，event horizon 有不斷擴大的趨勢，這個現象跟熱力學中的entropy（混亂度）非常相似。

 

熱力學第二定律認為，一個獨立係統的混亂度是不斷增加的，當兩個獨立係統合並成一體，它的混亂度大於這兩個獨立係統混亂度的總和。跟其他科學定律不同的是，這個定律有它的局限性，即它並不適用於所有而隻適用於大多數事件。

 

根據熱力學第二定律，物體跌入event horizon後會增加黑洞的entropy（混亂度），而這個混亂度可以由測量event horizon的麵積大小來表示。如果黑洞具有entropy，那麽黑洞必然有溫度，而一個帶有溫度的物體必然具有放射性。現在許多科學家通過不同的計算發現黑洞不但具有放射性，還發射微粒子。而且，黑洞的溫度與它的質量成反比，質量越大，溫度越低，質量越小，溫度越高。

 

任何在黑洞event horizon內的物體都不可能逃離黑洞，為什麽黑洞看上去還在釋放微粒子？答案是，我們所看見的微粒子，不是來自於黑洞本身，而是來自於處於event horizon外麵的空間！

 

雖然宇宙空間看上去像是空的，實際上它仍然受重力場和電磁場作用。根據不確定理論，這個重力場和電磁場具有微小的波動性，我們叫它量子波動，可以用光粒子或重力粒子以對（particle/antiparticle pair）的正負形式來表現。這個成對的粒子有時同時出現，有時互相遠離對方，有時兩者碰撞而一同毀滅。不同於那些可以被儀器觀察到的真粒子，這些粒子和我們一般討論的太陽重力粒子一樣，是虛擬的。這些成對的粒子一方含正能量，另一方負能量。一般狀態下真粒子都帶有正能量，而那些帶有負能量的虛粒子的生命期必定很短，不停尋找它的另一半一起同歸於盡。在黑洞裏，萬有引力非常巨大，可以把一個跌落黑洞的帶負能量的虛粒子轉化成一個真粒子或anti粒子，在這種情況下，它不再去毀滅它的同伴。而被它拋棄的另一半，也許會跌落黑洞，或者，因為帶有正能量，它也許會成為一個真粒子或anti粒子遠離黑洞的event horizon。對於我們觀察者來說，這個遠離的粒子好象是從黑洞中輻射出來的。黑洞越小，帶負電的虛粒子轉化為真粒子的距離越短，它的輻射就越強，溫度也越高。

 

向外輻射的粒子正能量中和掉跌落黑洞的粒子負能量，根據愛因斯坦的方程式E=mc^2，能量正比於質量，因而流入的負能量會中和掉黑洞的重量，導致黑洞減輕。黑洞重量減少，它的event horizon就相應縮小，黑洞內部的混亂度就會減弱，但是它減弱的混亂度（entropy）會由向外輻射的真粒子的混亂度補足，因而黑洞輻射並不違反熱力學第二定律。

 

黑洞的質量越低，輻射度越高，它的溫度也越高。當黑洞減輕時，由於溫度和放射度同時升高，又加快了它失去重量的速度。當一個黑洞的重量變得非常小的時候，在最後消失前會爆發出相當於幾百萬個氫彈的輻射。黑洞的輻射同時包括X射線和伽馬射線。

 

黑洞輻射論是把廣義相對論和量子力學結合起來分析的預測結果。

 

注：根據wikipedia，黑洞輻射論又稱Hawking 輻射論：黑洞輻射降低了黑洞的質量和能量，所以黑洞會逐漸變小並最終消失。相對於大型黑洞，小型黑洞輻射出更多的射線因而收縮和消失得更快。