霍金辐射关于黑洞的理论

在"真空'的宇宙中，根据海森堡不确定性原理，会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子，然后瞬间消失，以符合能量守恒。在黑洞视界之外也不例外。霍金推想，如果在黑洞外产生的虚粒子对，其中一个被吸引进去，而另一个逃逸的情况。如果是这样，那个逃逸的粒子获得了能量，也不需要跟其相反的粒子湮灭，可以逃逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子一样。这个猜想后来被证实，这种辐射被命名为霍金辐射。由于它是向外带去能量，所以它是吸收了一部分黑洞的能量，黑洞的质量也会渐渐变小，消失；它也向外带去信息，所以不违反信息定律。2016年8月18日，首次在实验室中观察到了“霍金辐射”效应。

中文名

霍金辐射

英文名

Hawking Radiation

提出时间

1973-1974年

应用科学

物理学、数学

适用范围

黑洞、宇宙

提出者

斯蒂芬·威廉·霍金

简介

霍金辐射

霍金辐射，是一种关于黑洞的理论。其要旨是：黑洞会放出黑体辐射，这是由斯蒂芬·霍金在1972年建立它的数学模型的。霍金辐射的理论能说明如何降低黑洞的质量而导致黑洞蒸散的现象。

霍金辐射（有时也称为贝肯斯坦·霍金辐射 Bekenstein-Hawking radiation）是由英国物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）所提出的解释有关黑洞热力学性能的理论预测。

一般我们认为，光线是不能从黑洞中逃脱出来的，所以从黑洞中制取激光看起来有悖直觉。但从理论上讲，应该会有一些粒子从黑洞的事件视界（event horizon）辐射出来，这就是著名的“霍金辐射”（1974年由霍金预言，但迄今仍没有观测到）。

特别说明

需要说明的是，黑洞表面附近产生的虚粒子对，不可能出现正能粒子（反粒子）落入黑洞，负能反粒子（粒子）飞向远方的情况，这是由于黑洞外的时空是普通时空，不允许实的负能粒子或负能反粒子存在。所以霍金辐射只能辐射出正能粒子（反粒子）。

产生编辑

1975年，史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）发表了一个令人震惊的结论：如果将量子理论加入进来，黑洞好像不是十分黑！相反，它们会轻微地发出“霍金辐射”之光。（该辐射包括）有光子、中子和少量的各种有质量的粒子。这从未被观测到过。因为我们有证据认为是黑洞的天体都被大量正坠入其中的热气团所包围。这些热气的辐射会完全淹没这种微弱的（辐射）效应。如果一个黑洞的质量是一个M（一个太阳质量，常作为度量天体质量的单位，译者），霍金预言它将只能发出6×10-8开尔文的“体温”。所以只有很小的黑洞的辐射才会比较显著。特别地，这种效应在理论上是很有趣的，致力于此的学者们已经花费了大量的精力去理解量子理论如何与引力结合在一起，其后果是什么。最富戏剧性的是：一个孤立的、不吸收任何物质的黑洞会慢慢辐射其质量；开始很慢，但越来越快。最后，在其灭亡的一瞬间将象原子弹爆炸那样放出耀眼的光芒。然而一个质量为一个M的黑洞的全部寿命为1071M 3秒。所以别傻等大块头变成鬼魂了（人们已经开始寻找在宇宙大爆炸中生成的小黑洞的灭亡，但至今未果）。

理论基础

同在任何其他地方一样，虚粒子在黑洞视界边缘不断产生[1]。通常，它们以粒子－反粒子对的形式形成并迅速彼此湮灭。但在黑洞视界附近，有可能在湮灭发生前其中一个就掉入了黑洞。这样另一个就以霍金辐射的形式逃逸出来。

事实上这种论证并不清晰地与实际计算相符。从未有过标准的计算如何变形以解释关于虚粒子溜过视界。对于此问题，需要强调的是没有人求出过一个“狭义”的描述此类在视界边上发生的霍金辐射问题的解释。注意：或许这种启发式的问答变得精确起来，但不一定能从通常的计算中求出答案。

通常的计算中涉及巴格寥夫（Bogoliubov）变形。其想法是这样的：当你量子化电磁场的时候，你必须采用经典物理方程（麦克斯韦Maxwell方程）并将其视为正频和负频两部分的线性相加[2]。粗略地讲，一个给出粒子，另一个给出反粒子；更精确地讲，这种分割暗示着对量子真空理论的定义。换言之，如果你用一种方法分割，而我用另一种方法分割，则我们关于真空状态的观点将不符！

对此不必过于惊惶失措，这只是令人有些心烦。毕竟，真空可被认为是能量最低状态。如果采用根本不同的坐标系，那么对时间的观念将会完全不同，由此会有完全不同的能量观——因为能量在量子理论中被定义为参数H，时间的开方就以exp（-itH）给出。所以从一方面讲，有充分的理由认为，在经典场论中，依据不同的正、负频划分得到不同的解——时间依赖于exp（-i omega t）的线性组合解，被称为正/负频依赖于符号omega——当然，这种选择依赖于如何选择时间坐标t。另一方面，可以肯定我们会有不同的关于最低能量状态的观点。

现在回到作为相对论一种特殊情况的闵可夫斯基（Minkowski ）平坦的时空。这里有一丛按洛伦兹（Lorentz ）变形区分开的“惯性框架”，它们给出了不同的时间坐标系。但你可以发现，不同的坐标系给出不同的正负频的麦克斯韦方程解的概念之间的区别并不太糟。人们也不会因这些坐标系的不同产生对最低能量态的歧义。所以所有的惯性系中的观察者对于什么是粒子、什么是反粒子和什么是真空的意见是一致的。

但在弯曲的时空中不会有这种“最佳”的坐标系。因此即使是十分合理选择的不同坐标系也会在粒子和反粒子或什么是真空方面产生不一致。这些不一致并不意味着“任何东西都是相对（论）的”，因为存在完善的用以在不同坐标系系统的描述间进行“翻译”的公式，它们就是巴格寥夫变化公式。

所以如果黑洞存在的话：

一方面，我们可以把麦克斯韦方程的解用最清晰的方式分割成正频，这种分割即使是处于遥远未来并且远离黑洞的人也能够做到。另一方面，我们可以把麦克斯韦方程的解用最清晰的方式分割成正频，这种分割即使是处于（恒星）坍缩成黑洞（一事）发生之前的遥远过去的人也能够做到。

首次被观察

2010年9月29日，意大利米兰大学的科学家佛朗哥－贝乔诺及其同事组成的团队日前宣称，他们在实验室中创建的“某类现象”，应该就是科学界一直未曾观测到的“霍金辐射”。

贝乔诺及同事为了建造出“霍金辐射”，在实验装置中向透明的石英玻璃样本发射了超短（1皮秒）的激光脉冲，产生的折射率分布（RIP）展现出一个“视界线”（一个天文学中黑洞的边界），在此边界以内的光无法逃离。之后，由成像镜头以90度收集其辐射光子，然后发送到分光仪以及电荷耦合摄像机中。

此方式可强烈抑制或消除其他类型的辐射，如切伦科夫状辐射、四波混频、自相位调制、荧光等等。最终，观察到的光子辐射迹象让他们相信，这是一个由模拟“视界线”催生的“霍金辐射”。这很可能是人们首次观察到的“霍金辐射”迹象。

当用激光照射原子时，原子磁场半径扩大，达到了视界线，在这个视界线内的光子受到原子磁场作用，全部以磁场状态存在。而光的传播需要光子的偏振，在视界线内的光子，不能进行偏振传递。

但是，也可以把这个视界线看成一个原子,即激光照射使原子电子云膨胀。原子依然通过视界线向外辐射光。

应用

绕一个虫洞旋转的物质，其方式和围绕黑洞的旋转的物质一样，因为这两种天体都以相同的方式扰乱了其周围的物质运动。不过，也许有一种方法可以用来分辨这两种情况，那就是所谓的霍金辐射，只有黑洞才会辐射出这种粒子和光，而且可能有自己独特的能量频谱。不过这种辐射非常的微弱，非常可能被其他的辐射来源所湮没，例如大爆炸时期留下的宇宙微波背景辐射，所以实际观测这种辐射几乎不可能。

另一个可能的不同之处在于，虫洞没有黑洞的事件界限。这意味着物质可以进入虫洞，也可以再次回来。实际上，理论家称有一类虫洞会链回自己本身，也就是说这种虫洞并不通往另一个宇宙，而是转回到自身来。

研究

2011年，新西兰维多利亚大学科研人员发现，宇宙中许多物体都能发出霍金辐射，霍金辐射比预想的更普遍，因此可以通过研究霍金辐射来了解黑洞寿终时刻的情形。维多利亚大学数学教授马特·维瑟联合西班牙和意大利的同行进行了这项研究。

2010年，意大利米兰大学的科学家佛朗哥·贝乔诺及其同事组成的团队宣称，他们在实验室中创建的“某类现象”，应该就是科学界一直未曾观测到的“霍金辐射”。贝乔诺及同事为了建造出“霍金辐射”，在实验装置中向透明的石英玻璃样本发射了超短（1皮秒）的激光脉冲，产生的折射率分布（RIP）展现出一个“视界线”（一个天文学中黑洞的边界），在此边界以内的光无法逃离。之后，由成像镜头以90度收集其辐射光子，然后发送到分光仪以及电荷耦合摄像机中。研究人员解释说，此方式可强烈抑制或消除其他类型的辐射，如切伦科夫状辐射、四波混频、自相位调制、荧光等等。最终，观察到的光子辐射迹象让他们相信，这是一个由模拟“视界线”催生的“霍金辐射”。这很可能是人们首次观察到的“霍金辐射”迹象。物理学家们认为，如在未来实验中该结果被证实为“霍金辐射”，其可能对一切黑洞甚至宇宙的最终命运产生重大影响。

黑洞霍金辐射是理论物理学科的一个重要发现。它的出现是广义相对论、量子力学和热力学有机结合的产物。经过30多年的研究，在理论上人们不再怀疑它的正确性，但是实验上至今尚没对这个理论给予验证。幸运的是，在量子引力为Tev能标的情况下，西欧核子研究中心（CERN）的新一代大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider）将能够平均每秒制造出一个微型黑洞。这样的微型黑洞产生时几乎立即蒸发，它们的存在只有通过黑洞的霍金辐射在最后垂死爆发才能观察到。这就为实验检验黑洞霍金辐射提供了一个新的可能性，进而使得对黑洞霍金辐射的研究再次成为理论物理研究的重点与热点问题。

自从斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在1974年发现黑洞并不是完全黑而是可以从视界发射热辐射以来，在过去的四分之一多个世纪里，人们已经用许多不同的方法对各类黑洞的量子热性质进行了大量的研究。但大多数研究黑洞霍金辐射的文献中，背景时空是固定不变的，没有考虑霍金辐射对背景时空的反作用。在该近似下，黑洞霍金辐射谱为纯热谱，这导致了黑洞信息丢失疑难和量子论幺正性破缺。为了准确描述黑洞量子热效应，必须考虑辐射粒子的自引力相互作用，把黑洞背景时空看作动态变量。

考虑到辐射粒子的自引力相互作用，2004年度诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和其合作者克罗斯（Per Kraus），首先把黑洞霍金辐射看作是一种半经典的量子隧穿效应，得到了修正的霍金辐射谱。接着，在此工作基础之上，弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和其合作者派瑞克（Maulik K.Parikh），对该Kraus-Wilczek量子隧穿方法进行了改进，在能量守恒的条件下，给出了支持信息守恒和恢复量子论幺正性的一种虽然是半经典，但却是比较具体的计算。后来，运用量子场论中的反常技术，弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和其合作者罗宾逊（Sean P.Robinson）通过研究手征对称理论的量子反常，再次成功对黑洞霍金辐射进行了研究。

参考资料

1.什么是霍金辐射·雨后池塘

2.霍金辐射 ·学科头条