黑洞有溫度嗎？它是冷的還是熱的？
上回說距離我們 5000 光年的領(lǐng)結(jié)星云是目前宇宙中的最冷之處。當(dāng)然，前提是“已觀測到”和“天然存在”。有人說：那黑洞的溫度不是應(yīng)該更低嗎？
對于黑洞，除了通過天體運(yùn)動、周圍環(huán)境的輻射情況以及拍幾張模糊的照片外，目前還沒有特別直接的觀測方式。所以黑洞本體的溫度究竟是冷是熱，我們沒有任何辦法和條件去實(shí)際測量。黑洞的溫度嚴(yán)格來說只是理論上的一種預(yù)測，算不上“已觀測到”的最冷之處。
還有人會有疑問：“黑洞不是經(jīng)常有噴流、高能射線什么的，那應(yīng)該很熱才對吧？”
還有說：“黑洞內(nèi)部我們不可能觀測到呀，說它是冷是熱沒有任何意義嘛?！?/p>
首先，黑洞的高能射線顯然不是內(nèi)部發(fā)出的，它們其實(shí)源于黑洞的視界面外的東西，比如吸積盤。我們說“黑洞的溫度”指的也不是黑洞內(nèi)部的真實(shí)溫度，而是一種根據(jù)輻射得出的等效溫度。
黑洞連光都逃不出，怎么還有輻射呢？故事要從上世紀(jì) 70 年代講起……
根據(jù)廣義相對論這種經(jīng)典物理，早先人們普遍認(rèn)為黑洞應(yīng)該是全黑的，畢竟光都跑不出來嘛。而且對于黑洞來說，除了質(zhì)量、角動量、電荷外，再沒有其他信息。這里不存在任何基本粒子，更別說原子、分子這些了。這就帶來了一個問題：假如物體落入黑洞，那這個物體之前是由什么構(gòu)成的、怎么構(gòu)成的，這些信息都沒有了，換句話說就是原本的熵憑空消失了。如果把宇宙看做一個孤立系統(tǒng)的話，這件事意味著宇宙的熵只減不增，這豈不違背了熱力學(xué)第二定律？
1971 年，霍金首次提出了“黑洞面積定理”，證明了黑洞視界的表面積只能增加不會減小。就是說兩個小黑洞可以合并成一個大黑洞，但是一個大黑洞不可能再分裂成小黑洞了。這看似平平無奇的一條結(jié)論，第二年卻被一個年輕人悟出了真諦。
1972 年，年僅 25 歲的雅各布?貝肯斯坦此時(shí)正在攻讀普林斯頓大學(xué)的博士學(xué)位，他的導(dǎo)師正是那個給黑洞起名的約翰?惠勒。貝肯斯坦在得知霍金關(guān)于黑洞面積只增不減的理論后想：“只增不減？我記得有一個物理量說的也是只增不減…” 沒錯，此時(shí)貝肯斯坦想到的便是熱力學(xué)中的“熵”。
通過某種換算，我們可以把黑洞的視界面表面積作為黑洞熵的一種替代量度。黑洞不是沒有熵，只是沒有我們認(rèn)為的那種熵。隨后貝肯斯坦將這一想法整理成論文，正式提出了“黑洞熵”這一概念。從此，一個全新的研究領(lǐng)域被開創(chuàng)了出來 ——“黑洞熱力學(xué)（BHT）”，這一領(lǐng)域也對日后量子引力以及全息原理產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
自從黑洞有了熵，熱力學(xué)第二定律算是保住了，但是新的問題又來了：既然黑洞有熵，那么根據(jù)熱力學(xué)第三定律，黑洞它應(yīng)該也有溫度，有溫度就會有熱輻射，這顯然與黑洞“只進(jìn)不出”這種特性又矛盾了。
首先提出質(zhì)疑的便是霍金，他認(rèn)為黑洞之所以叫“黑”洞，就是因?yàn)樗粫l(fā)出任何輻射，所以黑洞的熵和熱力學(xué)中的熵應(yīng)該并不是一回事。
但是僅僅過了兩年，霍金便改變了先前的觀點(diǎn)。因?yàn)楹髞硭肿屑?xì)研究了該問題，當(dāng)他在原本的廣義相對論中引入量子場論時(shí)，發(fā)現(xiàn)原本只進(jìn)不出的黑洞竟然真的可以向外輻射能量！黑洞原來并不“黑”，而是“灰”的！在這之后人們便把這種輻射稱為“霍金輻射”。
根據(jù)溫度的傳統(tǒng)定義，黑洞本應(yīng)該和真空一樣不存在溫度一說，因?yàn)楦揪蜎]有粒子，更談不上粒子運(yùn)動的劇烈程度。但是霍金輻射又和傳統(tǒng)的熱輻射十分類似，從這點(diǎn)來看黑洞理應(yīng)是有“溫度”的。
可是這又引出了另一個問題：先前說落入黑洞的物體的熵憑空消失了，現(xiàn)在來看它并沒有真的消失，而是以某種形式成為了黑洞視界面的一部分。但是既然黑洞有溫度存在熱輻射，那終將有一天它會蒸發(fā)干凈。由于熱輻射又不攜帶傳統(tǒng)意義上的信息，那么落入黑洞的那個物體的熵這下就真的從宇宙中徹底消失了，這么一來便又違背了信息守恒定律。要知道，信息守恒像能量守恒一樣，它們都是自然界最基本的定律。于是隨著霍金輻射的誕生，又一個棘手的問題出現(xiàn)在人們面前 —— 黑洞信息悖論。
看到?jīng)]，科學(xué)發(fā)展就是這樣，經(jīng)常是“按下葫蘆起了瓢”。黑洞信息悖論可以說困擾了霍金的整個后半生，直到今天這個問題仍然沒有得到徹底解決。
說回霍金輻射。連光都無法逃脫的黑洞，能量是怎么從里面出來的呢？真空中的量子漲落是目前最容易理解的一種解釋。
看過量子系列的朋友應(yīng)該都很熟悉了，量子漲落簡單來說就是，真空中會隨機(jī)出現(xiàn)一對兒虛粒子，然后很快又湮滅掉。但是有一種情況，這個過程會被意外中斷，就是漲落出現(xiàn)在黑洞視界面附近的時(shí)候。
當(dāng)兩個虛粒子一個在視界面內(nèi)，一個在視界面外，這時(shí)候它倆如同陰陽兩隔，無法再像往常一樣相互湮滅。位于內(nèi)部的虛粒子被黑洞吞掉，而外面那個粒子則會逃逸掉。這些逃逸掉的粒子就被視為黑洞向外輻射的粒子。
雖然理論上黑洞可以通過這種方式向外釋放熱量，但是這種輻射極其微弱，即使和宇宙微波背景輻射相比還要弱得多，所以黑洞即使有溫度也是非常低的。而且黑洞的溫度和它的質(zhì)量成反比，越大的黑洞溫度反而越低。
對于一個 10 倍太陽質(zhì)量的黑洞，它的溫度大約只有 6nK，也就是 10?9K 這個量級，只比絕對零度高了大約十億分之一度。而擁有 400 萬倍太陽質(zhì)量的銀心黑洞，量級更是到了 10?14K。對于那些更大質(zhì)量的超級黑洞，甚至可以到達(dá) 10?18K。
由于逃逸掉的粒子是具有正質(zhì)量的實(shí)粒子，根據(jù)質(zhì)量守恒，那些被黑洞吞掉的粒子則被視為具有負(fù)的質(zhì)量。這樣一來黑洞會因?yàn)橥淌韶?fù)質(zhì)量粒子而損失質(zhì)量，同時(shí)自身也會變得越來越熱，從而蒸發(fā)也變得越來越快。
不過目前發(fā)現(xiàn)的黑洞至少都是幾倍太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，它們的霍金輻射溫度遠(yuǎn)小于宇宙微波背景輻射的溫度，所以在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，這些黑洞都無法通過霍金輻射損失質(zhì)量，畢竟環(huán)境溫度比自身高嘛。除非是月球質(zhì)量大小的、半徑只有 0.1mm 的微型黑洞，只有小于這種體量的黑洞，它們的霍金輻射溫度才會大于目前的背景輻射溫度，才有可能開始蒸發(fā)自己。
不過隨著宇宙的持續(xù)膨脹，背景輻射的溫度終將會降低到大質(zhì)量黑洞的霍金輻射溫度以下。到那個時(shí)候，宇宙中的這些黑洞將一個個的開始“蒸發(fā)”，只是這個蒸發(fā)過程也是無法想象的長。大約經(jīng)過一古戈?duì)?/strong>年（也就是 10100 年），這些黑洞最終會蒸發(fā)成微粒大小，然后“砰的一聲”消失在宇宙中。
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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