解读时空和黑洞的奥秘，你知道黑洞蒸发需要多长时间吗？

在宇宙的无尽深渊中，黑洞以其无可比拟的引力吸引着我们。当物质跨越这道不可逆的界限，即事件视界，它便步入了一个似乎尺寸被无限放大的区域。对于遥远的观察者而言，这个边界如同一面镜子，映射出进入黑洞的所有信息。目前，关于黑洞蒸发的谜团还未解开，而这过程牵涉到的信息，也不断地在事件视界上被编码。

宇宙法则无情，永恒的星辰也不例外。它们终将燃尽自己的生命之火，遥远的星团将被黑暗力量扯裂。甚至星系中的星体，在足够漫长的岁月里，也会被引力之手抛入太空。然而，在众多星系的心脏地带，却存在着超大质量的黑洞——这些巨大的天体，在奇点之中，汇集了亿万个太阳的质量，成为我们所知的最庞大的个体。但即便如此，它们的生命也不会永无止境。

正如物理学家斯蒂芬·霍金在1974年所揭示的，黑洞最终将蒸发消逝。这一过程如何上演？

在未来的岁月中，当宇宙的时钟拨向10的67次方至10的100次方年时，所有黑洞将因霍金辐射而彻底蒸发，质量不同的黑洞走向终结的速度也不一。

让我们设想一个真实的无垠空间。你想象中的那个纯净宇宙空间，究竟是怎样的存在？

首先，我们将移除所有的基本粒子。不论是物质、反物质、光子，还是其他任何你能想象得到的粒子，都必须从这个纯净的空间中消失。你必须确保这个空间内，没有量子波动的痕迹，否则它就不能被称作“空”。

此外，我们还需要确保这个空间不被外界的任何事物所干扰。我们不能让电场、磁场或核力穿透这个区域。

包括引力在内的所有影响都必须被排除在外。这意味着，我们需要消除所有质量以及所有形式的能量所造成的空间曲率，以及所有可能经过你所在空间的引力波。

时空的涟漪，即引力波，它们以光速在各个方向上扩散。为了得到真正的“空”，我们必须从一个空间区域中消除所有的引力效应。

在现实的物理世界中，我们无法真正实现这一目标，但在理论物理的领域中，我们能够设想这样的可能性。想象一个不包含任何物质，也不受任何外部影响的空间区域。唯一留下的，就是构成宇宙的基础——时空本身，以及宇宙中的物理规律。

然而，即使我们将自己的视线限制在这样一个“虚空”之中，当我们探究这片空旷之地究竟发生了什么时，会发现它并非真正的“空”。因为量子物理的现实仍然存在，空间结构中必然蕴含了一定量的内在能量。宇宙中的一切都有其固有的不确定性：位置的不确定性、时间的不确定性，甚至是能量的不确定性。

只有当我们将时空中的一切事物平均化，我们才能获取有关空间本质的有意义的信息。

量子场论的计算结果显示了，在看似空无一物的空间中，虚拟粒子的量子真空能量并非零。在多元宇宙的其他区域，真空能量是否具有同样的恒定值，我们并不清楚，也没有理由这样假设。

空间本身的能量，并非我们理论上能从绝对意义上确定的事物；我们的计算工具尚不足以达成这一目标。然而，通过绘制宇宙膨胀的图谱，我们能测量空间所固有的能量。我们对宇宙膨胀的测量越精确，我们就越能准确地约束暗能量的特性，暗能量似乎与空间的能量等同。这是对空间能量密度最准确的绝对测量。

而令人震惊的是，能量密度并不是零。宇宙的加速膨胀意味着，“空”的空间本身具有一个正的、非零的能量密度。

没有任何形状、任何类型的能量或曲率的平坦空间。这就是所谓的闵可夫斯基时空。然而，从我们对暗能量的测量来看，这个空间似乎有一个内在的非零能量。

因此，现在用一个“充满能量”的时空来替换你原来的“空无一物”的时空，但只在一个例外的情况下：在你选择的一个点上，放置一个点质量。

从技术上讲，你正在从闵可夫斯基时空过渡到史瓦西时空；用非技术的术语来说，你正在为你的宇宙中的每一个位置赋予可变的空间曲率。你离质量越近，时空的弯曲就越严重，以至于存在一个区域，在那里，无论你是何种粒子，无论你移动的速度多快，或者你加速了多少，都不可能从那个区域逃脱。

能够逃脱和不能逃脱之间的界限被称为事件视界，它应该是存在于我们宇宙中的每一个黑洞的特性。

一张展现了强烈弯曲时空的示意图，展示黑洞视界的边界。随着你越来越接近质量所在的位置，空间的弯曲程度加深，最终达到一个连光都无法逃脱的点：事件视界。

或许你会想，“好的，存在各种粒子和反粒子不断地进入和离开虚空。现在我们有了一个事件视界：一个无法逃脱的区域。因此，偶尔，在事件视界之外出现的粒子对中的一个可能会跨越事件视界，进入其中，并就此消失。另一个粒子则可以逃逸，带走黑洞的能量。”

既然能量必须是守恒的，我们可以再补充一块拼图，并宣称能量来自黑洞本身的质量。这与霍金关于霍金辐射的描述非常相似，霍金辐射详细解释了黑洞是如何蒸发的。

如果你把空旷的空间想象成一个充满了粒子/反粒子对的泡沫，这些粒子/反粒子对可以随意进出，你会看到来自黑洞的辐射。这种形象化的描述并不完全准确，但它容易被视觉化，这一事实也是有其优点的。

然而，从许多方面来看，这种想象并不正确。首先，这种形象化所描绘的并非真实的粒子，而是虚拟粒子。我们在试图描述量子真空时，所使用的这些粒子仅仅是计算的工具，并不是真正可观察的物理实体。其次，霍金辐射中出现的主要是光子，而非物质或反物质粒子。第三，霍金辐射大部分并非来自事件视界的边缘，而是来自黑洞周围的一个广大区域。

如果必须坚持粒子-反粒子对的解释，我们最好尝试将其视为四种类型的对：

出-出，出-进，进-出，进-进。

在那里，出-进和进-出对实际上会相互作用，产生携带能量的光子，而缺失的能量则来自空间的曲率，这进而减少了中心黑洞的质量。

霍金辐射是弯曲时空中量子物理对黑洞视界的预测的必然结果。这张图表显示，产生辐射的能量来自视界之外，这意味着黑洞必须失去质量来平衡。

但真正的解释并不适合视觉化，这让许多人感到困惑。我们必须计算的是，在黑洞周围高度弯曲的区域中，量子场论是如何表现的。并不仅限于视界的正上方，而是在视界之外的一个巨大的球形区域内。

我们无法计算出空间的绝对能量，无论它是弯曲的还是平坦的，但我们能做的是计算出空间与非空间在能量和量子真空性质上的区别。

当你在弯曲空间中进行量子场论的计算时，你会得到一个令人惊讶的结果：在黑洞事件视界周围的空间中，发射出热的黑体辐射。并且，视界越小，视界附近的空间曲率越大，霍金辐射的速度也越快。

黑洞的视界是一个球形或球形区域，任何事物，甚至是光，都无法从中逃脱。但在视界之外，黑洞预计会释放辐射。霍金在1974年的工作首次证明了这一点，可以说这是他最伟大的科学成就之一。

真正的解释要复杂得多，表明霍金过于简单化的形象有其局限性。问题的根源并非是粒子-反粒子对的出现和消失，而是不同观察者对粒子的不同看法，这个问题在弯曲空间比在平坦空间更复杂。

基本上，一个观察者所见的是空的空间，而一个加速的观察者所见的是那个空间中的粒子。霍金辐射的起源与观察者的位置关系巨大，他们所看到的加速辐射与静止辐射相比，也有巨大差异。

其结果是，黑洞最终向其周围的各个方向发射出热的黑体辐射（主要以光子形式），覆盖的空间体积大多包含约十个黑洞所在位置的史瓦西半径。

模拟的黑洞衰变不仅会导致辐射的释放，还会导致中心轨道质量的减少，从而使大多数物体保持稳定。黑洞并非静止的物体，而是随时间推移而变化。

霍金的解释中有很大一部分是正确的，那就是，如果有足够的时间，这确实意味着黑洞不会永远存在，而是会逐渐衰变。

能量的损失减少了中心黑洞的质量，最终导致了整体的蒸发。霍金辐射是一个极其缓慢的过程，在这个过程中，我们太阳质量相当的黑洞将需要10的67次方年才能蒸发；银河系中心的黑洞将需要10的87次方年，最庞大的黑洞可能需要无比漫长的10的100次方年才能完全消散！每当一个黑洞走向终结，它所展现的最后一幕是一道刺眼的光芒，高能辐射和粒子的辉煌迸发。

黑洞的消亡过程，通过霍金辐射的方式，大多数寿命中会产生可观测的光子特征。但到了末期，黑洞的蒸发速度和霍金辐射的能量将预示着明确的粒子和反粒子产生，这将是独一无二的景象，与没有黑洞形成的情况截然不同。

的确，霍金最初的理论描述是过于简化，因而不完全准确：在视界之外产生的粒子-反粒子对，其中一个粒子逃逸并带走能量，而另一个粒子被黑洞吞噬并导致黑洞质量减少。实际上，该辐射是在黑洞的视界之外形成的。这是因为对于处在黑洞强烈弯曲空间中的不同观察者，他们对于正在发生的物理过程无法取得共识。而距离很远且相对静止的观测者会观测到从黑洞发出的持续稳定的低能热辐射。这种极高的空间曲率是造成这一现象的根本因素，促使黑洞逐渐蒸发直至不复存在。