基本介紹
- 中文名：黑洞輻射
- 外文名：Hawking radiation
- 定義：由黑洞散發出來的熱輻射
- 學科：物理
簡介,概述,理論概述,形成原因,隱身特性,黑洞分類,參見,
簡介
霍金輻射（英語：Hawking radiation）是以量子效應理論推測出的一種由黑洞散發出來的熱輻射。此理論在1974年由物理學家史蒂芬·霍金提出。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。
霍金的分析迅速成為第一個令人信服的量子引力理論，儘管目前尚未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，高能粒子對撞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。
概述
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。以經典力學上來說，它的引力超強，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與量子力學，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的量子場論框架。霍金表示量子效應允許黑洞發射精確的黑體輻射。這電磁輻射仿佛被一個溫度和黑洞的質量成反比的黑體發出。
舉例來說，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。黑洞的溫度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，就是如果把有很多熵的東西丟進黑洞裡，那豈不是把那些熵給消滅掉了嗎？但是熵在宇宙里是永增不減的，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，在巨觀上沒有質量產生。
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——在強烈的引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。
如果一個粒子對在黑洞附近形成，由於黑洞的引力場很強，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，從而被黑洞的引力提升成實粒子。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。
理論概述
絕對真空違反了量子力學中的不確定性原理，所以並不存在。當空間趨向絕對真空的過程中會產生虛粒子對，兩個粒子對撞後又會消失，這樣即不會違反量子力學，也不會違反物質守恆。當這種量子現象發生在黑洞的視界邊緣，視界之外的虛粒子因為在視界之外，所以可以被觀測到，從而變為實粒子，而視界之內的虛粒子因為在視界之內，所以會被黑洞吞噬，不會被觀察到。因為視界之外的粒子是帶有質量的真實粒子，由質量和能量守恆定律，視界之內被黑洞吞噬的粒子有負質量，所以黑洞的質量會因為這樣的作用而減少。從外界看來，黑洞好像在慢慢蒸發。黑洞越小，蒸發速度越快，直到黑洞完全的蒸發。但由於這樣的作用極為緩慢，和太陽質量一樣的黑洞需要用大約10年來蒸發0.0000001%的質量。
形成原因
那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恆星演化而來的。
當一顆恆星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料（氫），由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最後形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。
質量小一些的恆星主要演化成白矮星，質量比較大的恆星則有可能形成中子星。而根據科學家的計算，中子星的總質量不能大於三倍太陽的質量。如果超過了這個值，那么將再沒有什麼力能與自身重力相抗衡了，從而引發另一次大坍縮。
這次，根據科學家的猜想，物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直至成為一個體積很小、密度趨向很大。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小於史瓦西半徑），正像我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恆星與外界的一切聯繫——“黑洞”誕生了。
隱身特性
與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術”，人們無法直接觀察到它，連科學家都只能對它內部結構提出各種猜想。那么，黑洞是怎么把自己隱藏起來的呢？答案就是——彎曲的空間。我們都知道，光在同中均勻介質中是沿直線傳播的。這是一個最基本的常識。可是根據廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但走的已經不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。
在地球上，由於引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恆星發出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。所以，我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術。
更有趣的是，有些恆星不僅是朝著地球發出的光能直接到達地球，它朝其它方向發射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。這樣我們不僅能看見這顆恆星的“臉”，還同時看到它的側面、甚至後背！
“黑洞”無疑是本世紀最具有挑戰性、也最讓人激動的天文學說之一。許多科學家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過，這些當代天體物理學的最新成果不是在這裡三言兩語能說清楚的。有興趣的朋友可以去參考專門的論著。
黑洞分類
按組成來劃分，黑洞可以分為兩大類。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋轉的巨大的暗能量組成，它內部沒有巨大的質量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋轉，其內部產生巨大的負壓以吞噬物體，從而形成黑洞，詳情請看“宇宙黑洞論”。暗能量黑洞是星系形成的基礎，也是星團、星系團形成的基礎。物理黑洞由一顆或多顆天體坍縮形成，具有巨大的質量。當一個物理黑洞的質量等於或大於一個星系的質量時，我們稱之為奇點黑洞。暗能量黑洞的體積很大，可以有太陽系那般大。但物理黑洞的體積卻非常小，它可以縮小到一個奇點。
參見
- 天文學主題
- 物理主題
- 史提芬·霍金
- 黑洞謬論
- 訊息佯謬
