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05 黑洞的熵和热力学 Entropy and Thermodynamics of Black Holes(第3页)

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宇宙的会计大声疾呼。

实际上,宇宙间的会计规则似乎更加宽松,并且有可能获得信贷。

在短时间内借用能量是完全可以接受的,只要你随后迅速偿还即可。

你所能借到的金额取决于贷款的期限,而这个量则由海森堡不确定性原理所描述。

例如,即使在所谓空无一物的真空中,也可以借用足够的能量来产生粒子和反粒子对。

这两个物体可能在一瞬间产生,并在持续极短时间后湮灭,而后在所允许的最长时间限内偿还能量(时间间隔越短,所能借入的能量就越多)。

这样的过程每时每刻都在进行。

我们甚至可以测出这个过程!现在,我们知道了真空实际上不是空的,而是由这些成对产生并消失的所谓虚粒子构成的场。

因此,真空不是空无一物的不毛之地,而是充斥着量子层面的活动。

黑洞蒸发和霍金辐射

霍金使用现代关于真空的理论,也就是量子场论来研究粒子在黑洞事件视界附近的行为。

他的分析是数学化的,但我们可以用一种非常简单的方式来描述它。

实际上,在黑洞的事件视界附近产生的一对“虚”

粒子,也就是一个粒子及其反粒子(电荷相反,质量相同)最后可能被拆散。

如果这对正反粒子中的一个落入事件视界,它将陷入奇点,并且永远无法恢复。

但是,其伙伴可能仍留在黑洞之外。

这个粒子失去了它的虚拟伙伴,但现在是一个真实的粒子,并有逃逸的可能。

如果粒子确实逃了出来而不是掉了回去,那么它就成了所谓霍金辐射的一部分。

在远处的观察者看来,黑洞已经因为发射粒子而损失了质量。

人们已经认识到,在考虑量子场论的情况下,黑洞并不是完全黑的,它可以辐射出粒子。

这个论证也适用于光子。

所以,如果霍金的论点是正确的,黑洞就会发出非常弱的光(也被称为电磁辐射)。

所有非零温的物体都会以光子的形式发出热辐射。

你本人也会这样,这就是为什么即使在黑暗中你也会出现在红外摄像机上(这也正是警察和军方使用该类摄像机的原因)。

物体越热,辐射的频率就越高。

我们会发出红外辐射,但红热的火钳可以热到发出可见光。

因为黑洞会发出霍金辐射,所以如前所述,它会具有一个温度(被称为霍金温度),然而通常这一温度非常低。

质量为太阳的100倍的黑洞,它的霍金温度比绝对零度(比水的冰点低273摄氏度)只高不到十亿分之一摄氏度!这就是霍金辐射尚未被检测到的原因之一:它太弱了。

但是,人们相信它确实是存在的。

然而,霍金辐射确实对黑洞的演化有一个有趣的影响:它是导致黑洞最终死亡的罪魁祸首。

再想想这两个虚粒子。

从黑洞中逃出的实粒子的能量必须为正,但由于虚粒子对是从真空中自发出现的,吸入黑洞中的虚粒子必须具有负能量作为补偿。

因为能量和质量是相关联的,所以这个过程的效果是黑洞净增加了负质量。

因此,由于发出霍金辐射,

黑洞的质量将会降低。

由此,霍金发现了一种可以令黑洞蒸发的机制。

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