第17部分(3 / 4)

小說:黑洞 作者:蒂帆

量。粒子並沒有真的跳過視界“牆”,而是從一個由測不準原理短暫地打通的“隧道”穿過。

真空極化

黑洞蒸發還可以由所謂真空極化來作出一種等價的解釋。

在量子力學裡,真空並不意味著沒有任何場、粒子或能量。量子真空是一種能量為最低的狀態,它只是被稱作“真空”而已,實際上能量嚴格為零的狀態是不可能存在的。

時間和能量的測不準原理解釋了為什麼真空不空。由於質量與能量的等價性,真空中的能量漲落就可以導致基本粒子生成。1928年,泡爾·狄拉克(Paul Dirac)發現,每一種基本粒子都有一種對應的反粒子,二者質量相同,其他性質呈“映象”對稱。電子帶負電荷,其反粒子,即正電子,質量相同而電荷相反。光子沒有質量,它的反粒子也就是它自己。一個粒子與其反粒子相遇,就會相互湮滅,將質量轉化為能量。因此,一個粒子和它的反粒子就表示相當於它靜質量2倍的能量,反過來,一定量的能量也可以被看作是一對正二反粒子。於是,由於能量漲落而躁動的量子真空,就成了所謂“狄拉克海”,其中遍佈著自發出現而又很快湮滅的正二叵粒子對。

一對正一負電子在10“’秒內自發地產生和消失。質量更大的粒子對也可以在真空中出現,但是按照測不準原理,它們只能存在短得多的時間。真空中產生的質子、區質子對平均存活的時間比電子一正電子對要短2000倍。

在不存在任何力的量子真空裡,粒子對不斷地產生和消滅,所以平均說來就沒有任何粒子或反粒子真正產生或是消滅。這些粒子也不能被直接觀測,所以被稱為虛粒子。現在設想有一個力場,例如電場,作用在真空上。當一對正、負電子在真空中出現時,它們就會被電場沿相反方向分離。如果電場足夠地強,它們就會分離得足夠地遠,以至於不能再相互碰撞和湮滅。這時的粒子就成為實粒子,這時的真空就被稱為是極化的。

粒子由於真空極化而自發地產生,這不是一個理論幻想,而是已由實驗證實的現象。考慮量子真空中的一個氫原子,它由一個帶負電的電子和一個帶正電的質子組成。在它周圍,虛粒子對在不斷地產生和消失,但是由質子和電子所產生的電場會使近鄰區域的真空極化,於是帶有相反電荷的粒子就會分離,在一個很短的瞬間形成一股很小的電流。這種電流會使電子在軌道上顫動,因而使氫原子發出的輻射頻率出現微小的移動。這就是所謂“蘭姆(Lain)移動”,1947年被實驗探測到。

但是,真空是不容易被極化的,需要有很高的能量密度才能使虛粒子對分離和實粒子出現。而能量的形式則並不重要,可以是電能:當電容器極板間的電壓超過一定限度時,真空極化,而電容器被擊穿;也可以是熱能:一塊金屬被稍稍加熱就能發射光子(其反粒子就是自己),但要熱到礦2開氏度才發射正一負電子對。

由於所有形式的能量都等價於質量,就可以合理地預期引力能也會被自發地轉變成粒子。這正是霍金的發現的深刻意義。量子真空會被微型黑洞周圍的強引力場所極化(圖55)。在狄拉克海里,虛粒子對在不斷地產生和消失,一個粒子和它的反粒子會分離一段很短的時間,於是就有四種可能性:兩個夥伴重新相遇並相互湮滅(過程1);反粒子被黑洞捕獲而正粒子在外部世界顯形(過程H);正粒子被捕獲而反粒子逃出(過程m);雙雙落入黑洞(過程W)。霍金計算了這些過程發生的機率,發現過程11最為常見。於是,能量的帳就是這樣算的:由於有傾向地捕獲反粒子,黑洞自發地損失能量,也就是損失質量。在外部觀測者看來,黑洞在蒸發,即發出粒子氣流。

黑洞與黑體

迄今已經考查了所有從黑洞提取能量的機制。黑洞的轉動能和電能可以由經典的和量子的兩種過程來取出。特別是,前面講過的帶電和轉動黑洞由於超輻射過程的退激化,在微型黑洞的情況可以由真空極化來重新解釋。黑洞總是喜歡從周圍的虛粒子中捕獲那些與自己的電荷或角動量反號的粒子,因此,即使一個真空中的微型黑洞在最初形成時有非零電荷和角動量,它總是傾向於自發地使自己中性化和減慢轉動,從而儘快地達到史瓦西狀態。可是,史瓦西黑洞也失去了其經典的“不可約性”,“死”質量會自動地蒸發。那麼,黑洞輻射的精確特徵是什麼樣的呢?

有趣的是,黑洞的輻射很像另一種有相同“顏色”的東西,就是黑體。黑體是一種理想的輻射源,處在由一定溫度表徵的完全熱平衡狀態。

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