黑洞裡面有什麼能看見的（黑洞裡面到底有什麼東西）

2023-04-15 19:45:10

黑洞是一個區域，從黑洞中發出的光所能到達的最遠距離就是黑洞最外層的邊界，也就是事件視界。掉進黑洞中的物質再也沒有任何信息能被我們所觀察。在經典的定義中，黑洞是一個極為特殊的區域，我們所觀察到的現象是"0 1=0"，掉進黑洞的物質猶如進入了另外一個世界般地徹底消失。因此黑洞邊界不減的發現有重大的意義。

　　我們再用熱力學來分析一下就會更清楚了。

　　熱力學第二定律指出："一個孤立的系統的熵總是增加的，並且兩個系統合為一個系統時，其合併系統的熵大於所有單獨的熵的總和。"（熵就是物質運動的無序度、混亂度）例如有個被中間的一個擋板分割為兩半的密封盒子。盒子的左半部充滿空氣右半部真空。當抽去擋板後，氣體分子會均勻地充滿整個盒子。由於氣體所佔的體積增大了，它的無序程度也就增加了，我們說氣體的熵增加了。如果盒子的左半部充滿氧氣，右半部充滿氮氣。當把擋板抽去後，兩種氣體將均勻地混合併充滿整個盒子。這種狀態比原先分開的氣體的狀態更無序，熵也增大了。

我們不妨設想，如果這些氣體落到了黑洞裡，由於我們無法測量到黑洞中的狀態，只能認為黑洞沒有熵，那麼黑洞外界的總熵就會減小，換句話說，宇宙的總熵減小了。這無疑使體系嚴密而完整的熱力學十分尷尬。我們固然可以說，將黑洞裡的熵也考慮進去的話，宇宙的總熵並沒有降低--但我們需要一個標誌黑洞熵的物理量。

　　黑洞事件視界不減的性質使我們不禁聯想到，事件視界面積就是黑洞的熵。

　　雖然二者之間有很多相似之處，但是將二者等同起來還有一個致命困難：任何一個具有熵的物體都將有溫度--假如黑洞有熵的話，也將不能例外；而且有溫度的物體必然向外發出輻射。這與黑洞的定義顯然矛盾。

　　前蘇聯兩位科學家雅可夫·捷爾多維奇和亞歷山大·斯塔拉賓斯基在1973年根據量子力學的不確定原理計算出，旋轉黑洞應產生並向外輻射粒子。同年，霍金計算出即使是不旋轉的黑洞也以不變的速率產生和輻射粒子，而且令人驚奇的是，黑洞輻射出的粒子譜剛好是一個非常準確的熱譜（熱的物體輻射的譜），顯示著黑洞正以嚴格的速率輻射粒子以保證熱力學第二定律不被違反。霍金等人的研究使大家看到，黑洞具有有限的熵，因為它能以一個不為零的溫度保持熱平衡而這個熵恰恰就是黑洞的事件視界面積！

　　經典物理學中定義黑洞不能向外發出輻射，而量子力學卻允許粒子從黑洞中逃逸出來，這種現象如何解釋呢？霍金作了如下解釋來幫助人們理解。

　　由於量子力學的不確定性原理指出，粒子的位置和速率不能同時被測出（愛因斯坦所謂的"上帝在擲色子"），因此我們的宇宙空間不能是"真空"，否則就意味著引力場和電磁場等必須恰為零，那麼它們的數值和時間變化率將同時被固定為零，這違反了"測不準原理"。既然場不為零而且"測不準"，那麼場的數值就會有一定的起伏，人們將這些量子起伏理解為光或引力的粒子對。它們同時出現並互相離開，然後又互相靠近而湮滅（這種量子起伏已經被實驗精確地證明）。這對正反粒子中一個粒子的能量為正，另一個能量為負，其能量和為零以遵守"能量守恆定律"。如果這對粒子恰好在黑洞的邊緣出現，其中一個粒子落入黑洞裡，另一個粒子由於找不到相互湮滅的"伴侶"而獲得自由逃逸出去。對於在遠處的觀察者來說，這就象是從黑洞中輻射出來的一樣。

　　我們知道，一個物體越靠近引力場的中心，它的能量就越小，因為遠處的物體需要花費更大的能量來抵抗吸引力，儘管如此物體的能量仍然是正的。而黑洞的引力場是如此的強，以致於落入它裡面的粒子的能量變為負值，這就使黑洞的總能量減少。根據愛因斯坦著名的質能方程E=mc^2，落入黑洞的質量由於能量的減少而減少，黑洞的事件視界面積隨之減小。從黑洞外觀察，黑洞輻射產生的熵補償了物質落入黑洞而減少的熵；從整個宇宙的範圍考慮，質量守恆、能量守恆及熱力學第二定律均被不折不扣地遵守著。

　　由於黑洞質量越小，其引力場就越小，粒子逃逸的過程就變得越容易，因此黑洞粒子的發射率和其表觀溫度就越大。黑洞向外輻射粒子導致黑洞質量減小，進一步導致了輻射速率和溫度的上升，因而黑洞的質量就減小得更快！當黑洞的質量變得極小的時候，它將在一個巨大的、相當於幾百萬顆氫彈爆炸的發射中結束自己的歷史！具有太陽質量的黑洞只有千萬分之一度的絕對溫度，這要比2.7K的宇宙微波輻射溫度低得多所以這種黑洞的輻射小於吸收。如果宇宙永遠膨脹下去，微波輻射的溫度最終將減小到比這種黑洞的還低，黑洞就將開始損失質量。它的溫度實在太低了，以致於需要一百億億億億億億億億（1的後面跟66個0）年才蒸發完，這遠大於宇宙的年齡了！而我們上一章談到的太初黑洞更高的溫度。一個10億噸的太初黑洞的尺度只有10的負13次方釐米的半徑（質子的尺度），它的壽命大體和宇宙相同，而比這質量還小的黑洞已經蒸發完畢；比它稍大的黑洞仍在發射著X射線或伽瑪射線，其能量相當於十個大型核電站的功率。不管你相不相信，這些黑洞並不黑，正相反，它們是白熱的！科學家們計算出，每立方光年中又大約300個太初黑洞。由於它們輻射出的伽瑪粒子的極少因此觀測它們十分困難。我們在這一章中看到，科學定律並沒有在黑洞奇點處完全失效。這使我們看到了希望，也許奇點可以避免！