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霍金輻射

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黑洞(中)在大麥哲倫星雲前面的模擬圖。請注意重力透鏡的影響,產生了放大的,但高度扭曲的星雲的兩個影像。在頂部的銀河系盤面扭曲成一個弧形。

霍金輻射英語:Hawking radiation)是以量子效應理論推測出的一種由黑體散發出來的熱輻射。此理論在1974年由物理學家史蒂芬·霍金提出。[1]有了霍金輻射的理論就能說明如何降低黑洞的質量而導致黑洞蒸散的現象。

而因為霍金輻射能夠讓黑洞失去質量,當黑洞損失的質量比增加的質量多的時候就會造成縮小,最終消失。而比較小的微黑洞的發散量通常會比正常的黑洞大,所以前者會比後者縮小與消失的速度還要快。

霍金的分析馬上就成為第一個能令人信服的量子重力理論,不過目前還沒有實際觀察到霍金輻射的存在。在2008年6月NASA發射了GLAST衛星,它可以尋找蒸發的黑洞中γ射線的閃光。而在額外維度理論,CERN的大型強子對撞機也有可能創造出會自我消失的微黑洞。

2010年9月,一項模擬重力研究的結果被部分科學家認為是首次展示出霍金輻射的可能存在與可能性質。然而,霍金輻射仍未被實際觀測到[2][3]

概述[編輯]

黑洞是一個萬有引力極大的地方,它周圍的物質會被重力拉進去。以古典力學上來說,它的重力超強,甚至電磁輻射波也無法逃脫。目前雖尚未了解如何統一重力量子力學,但遠離黑洞之處的重力效應卻微弱到依然可以使計算結果符合彎曲時空量子場論框架。霍金表示量子效應允許黑洞發射精確的黑體輻射。這電磁輻射彷彿被一個溫度和黑洞的質量成反比黑體發出。

舉例來說,一太陽質量的黑洞的溫度僅有60nK;事實上,黑洞會吸收比自身發射要多得多的宇宙微波背景輻射。一個質量為4.5×1022 kg的黑洞(與月球質量相近)的溫度會保持在2.7K,並吸收與其發射數量相等的輻射。更小的原生黑洞則會散發比自身吸收更多的輻射,因此逐漸失去質量。

在沒有霍金輻射的概念以前,物理界有一個難題,就是如果把有很多的東西丟進黑洞裡,那豈不是把那些熵給消滅掉了嗎?但是熵在宇宙裡是永增不減的,因此這代表黑洞應該也有很多熵,而有熵的任何東西都會釋放黑體輻射,因此黑洞也會釋放黑體輻射?但釋放的機制又如何?霍金輻射就解釋了黑洞釋放黑體輻射的機制。根據海森堡測不準原理,在真空中會瞬間憑空且自然地產生許多粒子-反粒子虛粒子)對,並且在極短的時間內成對湮滅,在宏觀上沒有質量產生。

雅可夫·鮑里索維奇·澤爾多維奇雅各布·貝肯斯坦和史蒂芬·霍金等物理學者將量子力學和廣義相對論結合起來,結果顯示視界的溫度並非是零,而且還會發光,雖然極其微弱。這種光就是所謂的「霍金輻射」;當成雙成對的粒子——如電子和正電子,或一對光子——在強烈的重力場中被製造出來時,其中一個粒子會墜入黑洞,另一個會逃離,從而產生這種輻射。[4]:413ff

如果一個粒子對在黑洞附近形成,由於黑洞的重力場很強,導致配對誕生的正反粒子被扯開,有可能有一個跌入事件視界,而另一個沒有,從而被黑洞的重力提昇成實粒子。但這樣就違反了能量守恆定律,所以另一個粒子的質量一定是從黑洞本身的質量而來——這就是黑洞釋放輻射的一個簡化解釋。

基本上,大質量的黑洞可存活比較久一些。一般恆星死亡產生的黑洞可以活1066年,而超大質量黑洞則可以活1090年,霍金輻射也可以說明為什麼我們無法觀測到宇宙誕生時所產生的微黑洞,因為它們已經蒸發殆盡。

理論[編輯]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  1. ^ A Brief History of Time, Stephen Hawking, Bantam Books, 1988.
  2. ^ Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments Authors: F. Belgiorno, S.L. Cacciatori, M. Clerici, V. Gorini, G. Ortenzi, L. Rizzi, E. Rubino, V.G. Sala, D. Faccio http://arxiv.org/abs/1009.4634
  3. ^ Lisa Grossman. Ultrafast Laser Pulse Makes Desktop Black Hole Glow. Wired. 29 September 2010 [30 April 2012]. 
  4. ^ Kip S. Thorne. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy. W.W. Norton. 1994. ISBN 978-0-393-31276-8. 

外部連結[編輯]