作业帮黑洞消失的过程,有关黑洞负热宗的理论
来源：学生作业帮 编辑：作业帮 分类：综合作业 时间：2024/11/08 19:53:49
黑洞消失的过程,有关黑洞负热宗的理论
还有关于彭布斯过程有哪位大哥知道的补充上
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黑洞蒸发消失
黑洞是人们最关注的话题之一,近来的帖子上有不少是谈论黑洞问题的,现在让我们再次把目光投向黑洞,来了解它的蒸发过程.
黑洞是宇宙中最奇特和神秘的天体,超强引力源,时空的扭曲者,其超强引力使得连宇宙中跑的最快的光都会被它拉住,而逃不出它的魔掌,它是在时间和空间中形成的洞.它在不断地吸积着周围的物质,质量增加,它是空中的“强盗”,光子的“牢笼”.它贪得无厌,永不停息地吞噬着周围的一切,这就是黑洞的经典图象.
然而在1974年,史蒂芬.霍金发现了黑洞的蒸发现象,从而改变了黑洞的经典图象：黑洞已不是完全“黑”的,也不单纯是个“洞”,它既可以通过吸积物质使质量增加,也可以向外发射物质,而使质量减小.
在量子力学里,真空并不意味着没有任何场,粒子或能量.量子真空是一种能量为最低的状态,它只是被称作“真空”而已,实际上能量为零的状态是不存在的.
时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空.由于质量与能量的等价性,真空中的能量涨落就可以导致基本粒子的生成.1928年,保罗.狄拉克发现,每一种基本粒子都有一种对应的反粒子,二者质量相同,其他性质呈“镜像”对称.两者相遇,就会相互湮灭,将质量转化为能量.因此,一个粒子和它的反粒子就表示相当于它的静质量的两倍的能量,反过来,一定的能量也可以被看作是一对正反粒子.于是,由于能量涨落而躁动的量子真空就成了所谓“狄拉克海”,其中遍布着自发出现而又很快湮没的正反粒子对.在不存在任何力的量子真空里,粒子对不断地产生和消灭,所以平均而言,就没有任何粒子或反粒子真正产生或是消灭.由于这些粒子瞬时存在而不能被直接观测到,所以被称为虚粒子（可以是虚光子,虚电子,虚质子等）.其实虚粒子和实粒子并没有本质的区别,只是虚粒子没有足够的能量,存在的时间极短.果它能从外界获得能量,就可以存在足够长的时间而升格为实粒子.设想,有一电场,作用在真空上.当一对正负电子在正空中出现时,它们就会被电场沿相反的方向分离.如果电场足够强,它们就会分离的足够远,以致于不能再相互碰撞和湮灭.这时的虚粒子就成为实粒子,这时的真空就被称为是极化的.
但是,真空是不容易被极化的,需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒子出现.而产生极化所需的能量的形式并不重要,它们可以是电能,磁能,热能,引力能等.
测不准原理告诉我们,真空中到处存在着虚粒子的海洋.这种紧张的量子行为的虚粒子海洋同样也出现在黑洞事件视界周围的空间区域.
由于所有形式的能量都等价于质量,所以我们当然会想到引力能也会被自发地转变成粒子.霍金发现,对于微黑洞来说,量子真空会被它周围的强引力场所极化（这一点是至关重要的）,在狄拉克海里,虚粒子对在不断产生和消失,一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间,于是就有四种可能性：两个伙伴重新相遇,并相互湮灭（过程I）；反粒子被黑洞捕获,而正粒子在外部世界显形（过程II）；正粒子被捕获而反粒子逃出（过III）；双双落入黑洞（过程IV）.霍金计算了这些过程发生的几率,结果发现过程II最为常见.由于有倾向地捕获反粒子,黑洞自发地损失了能量,也就是损失了质量.由于微黑洞的尺度与基本粒子相当,能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离,其结果就是粒子逃出,在外部观测者看来,黑洞在蒸发,即发出粒子流.其实粒子并没有真的跳过视界“墙”,而是从一个由测不准原理短暂地打通的“遂道”穿过.这样的过程反反复复在黑洞视界的周围发生,从而,形成一股不断的辐射流,黑洞发光了.
霍金的计算表明,黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征.它赋予了黑洞一个真实的,在整个视界上同一的,直接由视界处的引力场强度来决定的温度.
对史瓦西黑洞来说,温度与质量成反比.质量与太阳一样的黑洞,其温度是微不足道的,开氏（即绝对零度以上）十的负七次方度.不是零,但小的可怜；黑洞并不是完全的黑,但一点也不亮.很遗憾,这样低温的辐射实在太微弱了,是不可能在实验室中探测出来的.霍金的计算还有一个重要发现：黑洞的质量越小,温度越高,辐射也越强.显然,蒸发只有对微型黑洞来说才有特别的影响,而微型黑洞的温度是很高的.在黑洞中,质量越大的黑洞,温度越低,蒸发的越慢；质量越小的黑洞,温度越高,蒸发的也越快.对于微黑洞来说,温度非常之高,可达千万开甚至上亿开,随着蒸发的加剧,质量丢失的很快,温度会迅猛地上升,随着温度上升的加快,质量丢失的就更厉害,这中过程会以疯狂的形式演变,最终黑洞被摧毁,以猛烈的爆发而告终,所有粒子都得到了大赦（对巨型黑洞来说发射粒子的过程十分缓慢,相当于蒸发；而对微黑洞来说,发射粒子的过程十分迅猛,相当于爆发）.对于星系中心的巨型黑洞来说,其蒸发的过程将远远超出宇宙的年龄,假定宇宙有足够长的寿命,并且不回缩,那么这类黑洞最终也还是要蒸发掉.不过这类黑洞目前还是吸积远大于蒸发,以吸积为主.只有当宇宙后来的温度降到比这类黑洞的温度还低时,它们才开始以蒸发为主.然而这个过程太慢长了,等到它们开始蒸发,也将远远超出宇宙的年龄,而它们要蒸发完毕,大约要十的九十九次方年!
黑洞蒸发的最后结果目前还不得而知.也许有人会认为视界消失后会留下一个裸露的中心奇点,但这是经典的看法,可能是错误的.如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉,应该说时空就会成为平直.
黑洞是人们最关注的话题之一,近来的帖子上有不少是谈论黑洞问题的,现在让我们再次把目光投向黑洞,来了解它的蒸发过程.
黑洞是宇宙中最奇特和神秘的天体,超强引力源,时空的扭曲者,其超强引力使得连宇宙中跑的最快的光都会被它拉住,而逃不出它的魔掌,它是在时间和空间中形成的洞.它在不断地吸积着周围的物质,质量增加,它是空中的“强盗”,光子的“牢笼”.它贪得无厌,永不停息地吞噬着周围的一切,这就是黑洞的经典图象.
然而在1974年,史蒂芬.霍金发现了黑洞的蒸发现象,从而改变了黑洞的经典图象：黑洞已不是完全“黑”的,也不单纯是个“洞”,它既可以通过吸积物质使质量增加,也可以向外发射物质,而使质量减小.
在量子力学里,真空并不意味着没有任何场,粒子或能量.量子真空是一种能量为最低的状态,它只是被称作“真空”而已,实际上能量为零的状态是不存在的.
时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空.由于质量与能量的等价性,真空中的能量涨落就可以导致基本粒子的生成.1928年,保罗.狄拉克发现,每一种基本粒子都有一种对应的反粒子,二者质量相同,其他性质呈“镜像”对称.两者相遇,就会相互湮灭,将质量转化为能量.因此,一个粒子和它的反粒子就表示相当于它的静质量的两倍的能量,反过来,一定的能量也可以被看作是一对正反粒子.于是,由于能量涨落而躁动的量子真空就成了所谓“狄拉克海”,其中遍布着自发出现而又很快湮没的正反粒子对.在不存在任何力的量子真空里,粒子对不断地产生和消灭,所以平均而言,就没有任何粒子或反粒子真正产生或是消灭.由于这些粒子瞬时存在而不能被直接观测到,所以被称为虚粒子（可以是虚光子,虚电子,虚质子等）.其实虚粒子和实粒子并没有本质的区别,只是虚粒子没有足够的能量,存在的时间极短.果它能从外界获得能量,就可以存在足够长的时间而升格为实粒子.设想,有一电场,作用在真空上.当一对正负电子在正空中出现时,它们就会被电场沿相反的方向分离.如果电场足够强,它们就会分离的足够远,以致于不能再相互碰撞和湮灭.这时的虚粒子就成为实粒子,这时的真空就被称为是极化的.
但是,真空是不容易被极化的,需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒子出现.而产生极化所需的能量的形式并不重要,它们可以是电能,磁能,热能,引力能等.
测不准原理告诉我们,真空中到处存在着虚粒子的海洋.这种紧张的量子行为的虚粒子海洋同样也出现在黑洞事件视界周围的空间区域.
由于所有形式的能量都等价于质量,所以我们当然会想到引力能也会被自发地转变成粒子.霍金发现,对于微黑洞来说,量子真空会被它周围的强引力场所极化（这一点是至关重要的）,在狄拉克海里,虚粒子对在不断产生和消失,一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间,于是就有四种可能性：两个伙伴重新相遇,并相互湮灭（过程I）；反粒子被黑洞捕获,而正粒子在外部世界显形（过程II）；正粒子被捕获而反粒子逃出（过III）；双双落入黑洞（过程IV）.霍金计算了这些过程发生的几率,结果发现过程II最为常见.由于有倾向地捕获反粒子,黑洞自发地损失了能量,也就是损失了质量.由于微黑洞的尺度与基本粒子相当,能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离,其结果就是粒子逃出,在外部观测者看来,黑洞在蒸发,即发出粒子流.其实粒子并没有真的跳过视界“墙”,而是从一个由测不准原理短暂地打通的“遂道”穿过.这样的过程反反复复在黑洞视界的周围发生,从而,形成一股不断的辐射流,黑洞发光了.
霍金的计算表明,黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征.它赋予了黑洞一个真实的,在整个视界上同一的,直接由视界处的引力场强度来决定的温度.
对史瓦西黑洞来说,温度与质量成反比.质量与太阳一样的黑洞,其温度是微不足道的,开氏（即绝对零度以上）十的负七次方度.不是零,但小的可怜；黑洞并不是完全的黑,但一点也不亮.很遗憾,这样低温的辐射实在太微弱了,是不可能在实验室中探测出来的.霍金的计算还有一个重要发现：黑洞的质量越小,温度越高,辐射也越强.显然,蒸发只有对微型黑洞来说才有特别的影响,而微型黑洞的温度是很高的.在黑洞中,质量越大的黑洞,温度越低,蒸发的越慢；质量越小的黑洞,温度越高,蒸发的也越快.对于微黑洞来说,温度非常之高,可达千万开甚至上亿开,随着蒸发的加剧,质量丢失的很快,温度会迅猛地上升,随着温度上升的加快,质量丢失的就更厉害,这中过程会以疯狂的形式演变,最终黑洞被摧毁,以猛烈的爆发而告终,所有粒子都得到了大赦（对巨型黑洞来说发射粒子的过程十分缓慢,相当于蒸发；而对微黑洞来说,发射粒子的过程十分迅猛,相当于爆发）.对于星系中心的巨型黑洞来说,其蒸发的过程将远远超出宇宙的年龄,假定宇宙有足够长的寿命,并且不回缩,那么这类黑洞最终也还是要蒸发掉.不过这类黑洞目前还是吸积远大于蒸发,以吸积为主.只有当宇宙后来的温度降到比这类黑洞的温度还低时,它们才开始以蒸发为主.然而这个过程太慢长了,等到它们开始蒸发,也将远远超出宇宙的年龄,而它们要蒸发完毕,大约要十的九十九次方年!
黑洞蒸发的最后结果目前还不得而知.也许有人会认为视界消失后会留下一个裸露的中心奇点,但这是经典的看法,可能是错误的.如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉,应该说时空就会成为平直.