理论上黑洞是不会爆炸的,但会发生一场类似爆炸的辐射。
在早期理论中,黑洞是个只进不出的天体,由于引力的作用(在广义相对论里其实是时空弯曲效应),物质会无限坍缩到中心的奇点,一切物质结构都会被摧毁,因此在这样的情况下,黑洞并没有爆炸的机制,根本炸不开嘛。但后来,理论物理学家史蒂芬霍金在考虑了黑洞附近弯曲时空的量子效应后,发现黑洞会因量子真空涨落而慢慢损失质量,这是霍金一生中的最大成就——霍金辐射。
根据他的理论,基于量子力学,真空中会随机产生正负虚粒子对,它们会瞬间产生并随即湮灭,能量归零。但当这些虚粒子对产生于时空极度弯曲的黑洞视界附近时,在这些正负虚粒子对中,会有一部分产生后即湮灭掉,还会有另一部分双双落入黑洞视界,但存在一定的概率会有其中一个落入视界而另一个向外逃逸而远离黑洞。由于视界外的正常时空无法容纳负能虚粒子,所以负能虚粒子不湮灭的情况下只能落入黑洞,而与它配对的正能虚粒子则有一定概率远离视界,由于失去湮灭对象从而变为实粒子。这样很显然,逃逸的实粒子携带了能量,将增加了黑洞外的宇宙总能量,这是违法能量守恒的,不过不要忘记,那个落入黑洞的负能虚粒子同样失去了湮灭对象,同样将成为实粒子,而它携带的能量为负,是一个负能粒子,这负能粒子将减少黑洞内部的总能量。
这样,神奇的事情发生了,原本只进不出、一毛不拔的黑洞竟然一点点的往外辐射能量,而能量禁闭在黑洞内在外界表现为质量——黑洞仅余的三个物理量之一。也就是说黑洞的质量在一点点地蒸发。这不得了,这颠覆性的发现震惊物理界,当时很多物理学家都不相信霍金这个理论,但最后当他们各自也计算了一遍后发现霍金的计算没毛病!于是霍金凭此理论一鸣惊人,跻身英国科学院并获得英国剑桥卢卡斯数学教授席位,这是顶级荣誉,是天才牛顿曾经担任的席位。
闲话休提言归正传,霍金得到霍金辐射如果是正确的,那么如果黑洞一直辐射下去会发生什么?这个我们先得看看霍金的计算,他得到的霍金辐射计算公式现在铭刻在他的墓碑上。
T是霍金辐射的温度,M是黑洞的质量。按照霍金辐射公式,黑洞的质量与温度成反比例关系,质量越大,霍金辐射的温度越低,相反黑洞质量越小,霍金辐射温度越高。霍金辐射的温度实际上就代表着黑洞的质量蒸发,因此神奇的事情又发生了,当黑洞质量小于一个临界质量,其霍金辐射的温度将低于宇宙微波背景辐射的温度,这将导致黑洞入不敷出,黑洞将加速蒸发,那么加速蒸发到最后会怎么样?
这点霍金自己都无法确定,因为随着质量减少,黑洞的视界将越来越小,当小到一定程度,量子效应将不可忽略,此时需要量子引力理论来加以描述,然而我们目前并没有这样的理论。因此霍金只能给出一个可能的推论——黑洞将在加速辐射过程中像一场猛烈的爆炸一样灰飞烟灭,在一瞬间辐射完剩余的所有能量,这在外界看来,就相当于一场小型的伽马射线暴。
所以结论就是:黑洞确实最终会爆炸,至少看起来像爆炸,至于会爆出什么来,由于这实际上只是一场加速的霍金辐射,所以能辐射出什么要看视界附近能产生什么样的虚粒子对,在爆炸前的加速辐射阶段,一般认为辐射的是伽马射线光子,霍金要找的正是这种辐射源,以通过他预言的原初黑洞来证明其理论,但在后期的爆发式辐射阶段,能产生什么样的虚粒子就不好说了,前面说了,那只有量子引力理论能描述。
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