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这里是厦门|关于黑洞，你一定要知道的物理知识！( 二 )


在先容霍金辐射之前 ， 我们需要先聊一聊量子场论中的真空的概念 。 大家或许常常听到一个说法叫真空不空 ， 看似一无所有的真空实际上充斥着各种各样粒子的场 ， 电子场 ， 夸克场 ， 希格斯玻色子场…… ， 而基本粒子们则是各自的场所对应的激发态 ， 正粒子对应正的频率 ， 反粒子对应负的频率 。 在真空中 ， 所有场都处在最低的能量状态 ， 但是由时间能量不确定关系 ， 在极短的时间内 ， 场可能由于能量涨落而激发产生虚粒子 ， 这种涨落通常是正负频率同时发生的 ， 对应于一对儿正反粒子的产生 。 不外不用担心 ， 这种方式产生的正反虚粒子对很快就会湮灭将能量重新还给真空 ， 除非 ， 这个过程发生在黑洞的视界四周 。
在之前我们提到 ， 黑洞存在一个边界 ， 一旦进入这个边界 ， 即使是光也无法逃脱 ， 这个边界被称为黑洞的事件视界 ， 如果有一对儿正反虚粒子在黑洞的事件视界边沿产生 ， 一个粒子在黑洞的视界内 ， 一个粒子在黑洞的视界外 ， 视界内的粒子因为黑洞强盛的引力而被拉进黑洞 ， 因为动量守恒定律 ， 视界外的粒子则会朝着相反的地方飞去 ， 从外界看起来 ， 就像黑洞向外发出了辐射 ， 这种辐射就是霍金辐射 ， 但是正反虚粒子对本来应该湮灭将能量归还 ， 可现在一个粒子带着能量自己飞走了 ， 这份从真空中“借“出的能量总得有人去还 ， 而这个将能量还给真空的角色只能由黑洞来扮演了 。 因此霍金辐射将会使黑洞损失能量 ， 视界面积减小 ， 终极黑洞将为自己的贪吃付出代价 ， 彻底消失 。
霍金辐射有个非常有趣的特点 ， 那就是越小的黑洞 ， 霍金辐射越剧烈 ， 相应的黑洞的寿命越短 ， 越大的黑洞反而霍金辐射越弱 ， 黑洞的寿命越长 。 譬如一个几倍太阳质量的黑洞其温度只有10-8K ， 而其寿命则比宇宙春秋还大1058倍 。 假如想在今天的宇宙中探测到霍金辐射 ， 那么我们需要一个质量小于1012千克的黑洞 。 因此 ， 霍金辐射这个设法固然非常有趣 ， 但是至今未能得到实验验证 。 所以即使霍金依然在世 ， 恐怕也很难凭借霍金辐射获得今年的诺贝尔物理学奖 。
如何制造一个黑洞？
黑洞诞生于恒星的死亡 ， 但是莫非只有恒星才能形成黑洞吗？理论上说 ， 确实不仅仅只有恒星才可以 ， 固然在先容黑洞诞生的时候我们是用恒星的质量作为判定依据 ， 只有质量大于奥本海默极限的恒星才能变成黑洞 ， 但是实际上是否可以变成黑洞的判断依据应该是密度 ， 也就是能否把足够大的质量压缩进足够小的空间 。
要压缩进多么小的空间 ， 这就需要求助于我们之前提到的史瓦西半径了 。
这里是厦门|关于黑洞，你一定要知道的物理知识！
本文插图

对于每一个有质量的物体 ， 都有自己对应的史瓦西半径 ， 任何物体只要能保证在不损失质量的情况下将自身压缩进史瓦西半径以内 ， 就可以变为一个黑洞 。 下面我们就来看看一些常见物体的史瓦西半径都是多少 。
首先看看我们的太阳 ， 太阳质量大约为2.0x1030千克 ， 对应的施瓦西半径约为3千米 ， 也就是假如我们能把太阳压缩成一个半径3千米的球 ， 那么太阳也可以变成一个黑洞 ， 也就相当于把太阳半径缩小二十多万倍…… ， 我就那么一说 。
然后再来看看我们的地球 ， 地球质量大概是6x1024千克 ， 对应的史瓦西半径约为1厘米 ， 大概是我们的指甲盖大小 。 这类小黑洞无法通过恒星坍缩形成 ， 但在宇宙早期可以由物质的密度涨落产生 。 根据早期宇宙理论模型 ， 这些黑洞的质量能够低至1克 。 宇宙早期产生的原初黑洞有可能作为冷暗物质的一部分 ， 在宇宙演化中施展重要作用 。
最后 ， 我们说说在地球上产生黑洞的可能性 。 在大型强子对撞机建造初期 ， 有反对声音提出粒子对撞将较高的能量在短时间内会萃在较小的区域 ， 有可能产生黑洞并吞噬地球 ， 这些质疑一度引起媒体和公家的关注 。 不外因为引力相互作用很弱 ， 大型强子对撞机会萃的能量并不足以产生黑洞 ， 除非牛顿引力常数比已知数值大1030倍 。 另一方面 ， 高能宇宙射线一直在以更高的能量不停轰击着大气和月球 ， 而我们迄今也没有看到黑洞的效应 ， 这也间接说明即使对撞机能够产生黑洞 ， 其效率也是可以忽略的 。 不外这还真有点小遗憾 ， 假如真能在实验室里创造出黑洞来 ， 我们对这个神秘的家伙一定能有更多了解 。


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