摘要：斯蒂芬霍金理论认为，黑洞可以缓慢地发射粒子，这意味着它们最终有一天会蒸发并爆炸。 （图片来源：All About Space Magazine via Getty Images）

1974 年，斯蒂芬霍金提出黑洞可以蒸发。但我们了解这是怎么发生的吗？

斯蒂芬霍金理论认为，黑洞可以缓慢地发射粒子，这意味着它们最终有一天会蒸发并爆炸。 （图片来源：All About Space Magazine via Getty Images）

1974 年，史蒂芬·霍金 （Stephen Hawking） 提出了一个有趣的想法：他利用量子物理学的原理，预言即使没有任何东西可以逃脱黑洞的事件视界，这些宇宙野兽实际上也可以发射粒子。通过喷射这些粒子，黑洞将在很长一段时间内收缩，最终蒸发并可能爆炸。

霍金引发了一场持续了 50 多年的辩论。黑洞蒸发的想法使物理学的两个基本原则——广义相对论和量子力学——陷入冲突。

但是，假设霍金和其他人是正确的，那么黑洞是如何蒸发的，什么都没有留下呢？在我们探索这个令人费解的想法之前，重要的是要知道理论物理学家仍在争论它如何可能。但在过去的几十年里，关于黑洞的消失似乎违背了我们宇宙的规则，出现了许多可能的解释。

“我们在过去的 50 年里一直在为此而奋斗，”麻省理工学院的物理学家丹尼尔·哈洛 （Daniel Harlow） 。“我想说，现在我们比霍金更了解它。”

阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 在 1915 年用他的广义相对论预测了黑洞的存在，该理论解释了引力如何成为时空曲率的一个特性。基于这一理论，黑洞是质量很大的物体被压缩成一个奇异区域，那里的引力如此强大，以至于连光都无法逃脱它的引力。

“根据广义相对论，一切都只能进入 [黑洞] 内部，什么都不可能出来，”荷兰拉德堡德大学 （Radboud University） 的天体物理学家海诺·法尔克 （Heino Falcke） 说，他参与了 2019 年拍摄黑洞的第一张图像。“扔进去的一切都被完全压碎成一个点。”

但大约 60 年后，霍金的计算表明，也许并非所有东西都会被黑洞粉碎。在量子力学中，成对的粒子——粒子和反粒子——闪烁着存在和消失。这些粒子通常会相互抵消。

但霍金认为，事件视界（黑洞的“不归点”，没有任何东西可以逃脱）的场波动意味着这些粒子并不总是被抵消：其中一个粒子可以被吸入黑洞，而另一个粒子可以被喷射到太空中，留下一种叫做霍金辐射的云。根据这一理论，随着越来越多的粒子被喷射，黑洞开始失去能量和质量，并最终消失。

这个过程会非常缓慢。一个质量与太阳质量相当的黑洞可能需要 10^67 年才能完全蒸发——比目前的宇宙年龄还要长。科学家们还没有找到这方面的证据;黑洞似乎不会释放热辐射，这意味着可能无法检测到霍金辐射。一些科学家正试图在实验室和微小的黑洞上窥探这种难以捉摸的辐射，这些黑洞被认为比我们银河系中的黑洞蒸发得更快。

然而，霍金的想法有一些警告，导致了令人困惑的问题。蒸发引入了一个称为黑洞信息悖论的难题。如果黑洞蒸发并消失，它留下的粒子就缺少有关物质原始状态的信息。这违反了物理学中的一个核心概念，即系统在一个时间点上应该决定或反映它在另一个时间点的状态，也称为可预测性。

科学家们仍在争论如何解决这个悖论。“霍金悖论的惊人之处在于，它的任何解决方案都需要你放弃一些神圣的物理学原理，”哈洛说。霍金的解决方案是放弃可预测性，正如他在 1976 年的一篇论文中所感叹的那样。

一些物理学家正在研究热力学定律以解决这一差异，以及熵如何影响量子信息。另一组物理学家正在研究局部性，即物体仅受其周围环境直接影响的原理。他们认为信息悖论可以通过一种称为量子非局域性的东西来解决，量子非局域性是指黑洞内部的粒子与黑洞外部的相关粒子共享量子态。

尽管在了解黑洞蒸发方面取得了进展，但谜团仍在继续堆积。在 2023 年发表在《物理评论快报》杂志上的一项研究中，Falcke 及其同事认为，信息悖论可能不仅限于黑洞。通过重新推导 Hawking 的计算，该团队提出所有对象都可能有相同的问题。所有事物都可能正在蒸发，从而加深了这个谜题。

“世界上有些事情我们无法解释，”Falcke 说。“但是，你知道，通过制造更多的谜团，我们实际上最终可能离解决方案更近了一步。”

来源：科学闻