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霍金BBC演讲:如果你觉得自己掉进黑洞,总有办

2019年4月10日,在上海,EHT项目和中国科学院共同发布人类史上首张黑洞照片。

编者按:

4月10日21时许,事件视界望远镜(EHT)揭晓了人类历史上首张黑洞照片,该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系Messier 87中心的黑洞。

早在1783年,英国地理学家约翰·米歇尔(John Michell)便意识到:一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。自1968年“黑洞”这一概念被提出,科学家们不断研究其具体构造,而很多人对黑洞的基本印象还停留在“吸收包括光在内的一切物体的极高密度天体,任何事物都无法从中逃离”。

其实,霍金早在1974年就提出,并不是任何物体都无法逃离黑洞,黑洞在吸收粒子的同时,也会将对应的反粒子发射出来,这个概念后来也被称为“霍金辐射”或“黑洞辐射”。

来看看霍金本人是怎样解释这一理论的:

我在前面的讲演中留下了一个悬念:关于由恒星坍缩产生的不可思议的致密的天体——黑洞性质的佯谬。有理论提出,具有完全相同性质的黑洞可由无限种不同类型的恒星形成。但是也有理论认为,可能形成具有相同性质的黑洞的恒星类型的数目是有限的。这是一个信息论问题,那就是说,宇宙中的每个粒子和每个力对“是与否”问题都拥有隐含的答案。

就像科学家约翰·惠勒说的那样,“黑洞无毛”,因此人们从外部无法得知黑洞内部是怎样的,除了它的质量、旋转状态和电荷这三样信息。这表明,黑洞内部隐藏着大量外部世界无法得知的信息。如果隐藏在黑洞内部的信息量取决于黑洞的尺度,人们从一般的原理就能预料到,黑洞将会拥有一个非零的温度,而这意味着黑洞将会发出热辐射,就会像一块炽热的金属一样发光。但那是不可能的,众所周知,没有任何东西可以从黑洞中逃逸出来。或者说,那时人们就是这么认为的。 这个佯谬直到1974年初,我利用量子力学研究黑洞邻近的粒子行为时才被打破。

DS(BBC新闻科学编辑大卫·舒克曼导读):量子力学是极小空间尺度下的科学,它探索解释最小尺度的粒子行为。这些粒子不遵循制约像行星那样巨大得多的物体的运动定律, 也就是说,它们不遵循艾萨克·牛顿创立的定律。利用这种极小空间尺度下的科学去研究大尺度时空是史蒂芬·霍金的开创性成就之一。

使我大吃一惊的是,根据我的研究和计算,黑洞似乎是在以稳定的速率发射粒子。和当时所有人一样,我坚信黑洞不能发射任何东西。因此,我相当努力地试图摆脱这一令人难堪的效应。但是,我越苦思冥想,就越难以拒绝承认其正确性,所以最后我只好无奈地接受了这个发现。最终使我确信它是 一个真实存在的物理过程的理由是,飞离的粒子的谱是精确地热性的。我的计算预言,黑洞会产生并发射粒子和辐射,恰如其他普通的热体一样,其拥有的温度与其表面引力大小成正比,即和它的质量大小成反比。

这些计算首次证明,黑洞不一定是只进不出的通往死地的单行道。自然而然地,该理论所提出的辐射被称为“霍金辐射”而闻名。 自此,黑洞发射热辐射的数学证据也逐渐被其他科学家用各种不同的手段所确认。下面让我试着解释这些发射是如何产生的,但这并不是理解该理论的唯一方法。量子力学表明,整个空间充满了虚粒子和虚反粒子组成的虚粒子对,它们不断在空间中成 对地成为实体,分离,然后再次碰撞并相互湮灭。

DS:这个概念取决于真空从来就不是空无一物的 这个思想。根据量子力学的不确定性原理, 总存在粒子出现的机会,不管它们存在的时 间多么短暂。而这个过程总是牵涉到拥有相 反特征的粒子对,它们出现并消失。

这些粒子之所以称作“虚的”,那是因为不像实粒子那样,我们不能用检测器直接观察到它们。尽管如此,可以测量到它们的间接效应,而且所谓的兰姆移动的一种小移动证实了它们的存在。兰姆移动指的是它们在受激的氢原子发射的光谱能级上产生 的分裂。现在,在黑洞的场合,虚粒子对中的一个成员可能落进黑洞,留下了失去伴侣的另一成员, 因而这个成员无法湮灭。被遗弃的粒子或反粒子有可能随它的伴侣落入黑洞,但是它也有可能向无限逃逸,这样的粒子就作为从黑洞发射出的辐射而出现了。

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