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为什么黑洞也会辐射

黑洞会放出黑体辐射,这是由史提芬霍金在1972年建立它的数学模型的。
在没有霍金辐射的概念以前,物理界有一个难题,就是如果把有很多熵的东西丢进黑洞里,那岂不是把那些熵给消灭掉了吗?但是熵在宇宙里是永增不减的,因此这代表 黑洞应该也有很多熵,而有熵的任何东西都会释放黑体辐射,因此黑洞也会释放黑体辐射?但释放的机制又如何?霍金辐射就解释了黑洞释放黑体辐射的机制。根据海森堡测不准原理,在真空中会瞬间凭空产生自然地产生许多粒子-反粒子(虚粒子)对,并且在极短的时间内成对湮灭,在宏观上上没有质量产生,如果一个粒子对在黑洞附近形成,由於黑洞的引力场很强,导致配对诞生的正反粒子被扯开,有可能有一个跌入事界,而另一个没有,从而被黑洞的引力提升成实粒子。但这样就违反了能量守恒定律,所以另一个粒子的质量一定是从黑洞本身的质量而来这就是黑洞释放辐射的一个简化解释。1973年,霍金做出重大发现,他证明所有黑洞都有热辐射,其辐射谱是标准的黑体谱。霍金辐射不遵从面积定理,辐射过程中黑洞面积会缩小,质量也会减小。但仍然服从热力学第二定律,因为黑洞的熵虽然减小了,但辐射出的物质熵增加了。它们的和仍是增大的。到目前为止,自然界中没有任何一种力量可以抗拒黑洞附近(视界内)的引力,那么这些粒子是怎样逃出来的呢?要说明这一问题首先要从真空说起。
为解决量子力学中的负能困难,狄拉克提出了真空不空的思想,在泡利不相容原理基础上克服了负能困难,并预言了正电子和反物质的存在。真空并不是一无所有的状态,而是能量最低的状态。也就是说正能态都空着,负能态都被粒子填满的状态。量子力学的测不准关系告诉我们,任何可测量的实过程都必须满足测不准关系:粒子坐标不确定度与动量不确定度的乘积不能小于一个很小的常数。也就是说凡是不满足不确定度关系的粒子都是无法观测到的,我们之所以看不到真空负能粒子海中的粒子就是因为它们不满足测不准关系。正电子,反质子,反中子等反粒子已相继被发现,又发现了诸如开斯米尔效应等真空边界效应,都无可辩驳的证明了负能粒子海的存在,已为物理学家们广泛接受。
延伸这一思想可得到真空涨落的概念。负能粒子海不断发生负能粒子向正能区跃迁的过程,真空中每时每刻都在发生虚粒子对的产生和湮灭,真空并不平静,是一种非常热闹的状态。虚粒子对是由一个正能粒子和一个负能粒子组成,负能粒子不能在我们的宇宙中稳定存在,在极端的时间内就会与正能粒子湮灭。但负能粒子可以在黑洞的视界内部长时间存在,这就导致了黑洞视界两侧的一种不对称,从而产生一种可观测的效应。当负能粒子落入黑洞,可以到达奇点使那里的质量减少。而正能粒子留在外面飞向远方。对于远处的观察者,他看到一个正能粒子飞过来,黑洞减少了相应的质量和电荷,因此他认为黑洞辐射出一个粒子。霍金用量子场论的方法严格证明了这种辐射的存在。

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