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霍金辐射是什么鬼?本世纪最伟大发现?

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一篇名为《Direct Detection of Hawking Radiation from Asteroid-Mass Primordial Black Holes》(原初黑洞霍金辐射的直接探测)论文于2020年10月13日在arXiv上横空出世,很多国内媒体直接将其指向了发现霍金辐射,霍金却早已在2年前去世,实在令人唏嘘!

霍金辐射到底是什么东西?

要说霍金辐射,必须从黑洞开始说起,这是黑洞级别的天体才有的一种理论辐射!

黑洞的前世今生

黑洞是广义相对论中推导出来的天体,但后来真的在宇宙中发现了!相信各位一定对爱因斯坦佩服得五体投地,但其实如果简单理解黑洞的话,牛顿万有引力就够了!

黑洞就是质量大到连光都跑不出来的天体,那么万有引力有哪几个要素呢?天体的质量、距离和万有引力常数,也就是如下公式表示:


万有引力公式

天体之间的引力与它们的质量成正比,与距离的平方成反比,和圆周运动的的向心力公式等价起来,那么就可以推导出第一宇宙速度的公式,如下:


第一宇宙速度公式推导过程

假如让地球

的质量不变,直径缩小到18mm,那么你会发现第一宇宙速度大约就是光速,正常情况下地球并不可能会达到这样的级别,但宇宙中的极端天体会,比如恒星内核,它会在自身的重力坍缩下达到这个级别,此时光速运动的物质都无法逃离天体,黑洞就形成了!

1916年史瓦西就用爱因斯坦最新的引力场公式推导出了史瓦西度规,说的大概就是上面的内容,如果不考虑时空这些复杂的因素,简单理解也就差不多了!

黑洞连光的逃不出,我们是怎么发现的?

黑洞的引力极强,所以进入视界的任何物质都不会再出来,所以黑洞是宇宙中最黑暗的天体,但这只是进入视界的物质,在吸积盘上准备掉落视界的物质,仍然会在压缩后辐射出强大的、从电磁波到伽马射线级别的全波段辐射!

天鹅座的X-1就是这样发现的,银心Sgr A*也是这样发现的,当然最近的M87*黑洞的成像EHT(事件视界望远镜)利用的也是这个原理,当然黑洞不止这种情形可以发现,比如它强大的引力会扰动周围的天体,还有其引力透镜等都可以找到它的蛛丝马迹!

霍金辐射又是什么鬼?

黑洞有一个超丧的特性,即使将一个极高熵的物质丢进去,也就是混杂到不能再利用的资源,比如废弃的任何东西丢进黑洞,那么它也将到达奇点,熵就在宇宙中消失了,这不符合热力学地尔定律,那么怎么办?

霍金在1974年提出了黑洞辐射的理论,他从量子论的角度出发,即使在真空中也沸腾这能量的海洋,在确定时间的瞬间,会产生出巨大的能量波动而产生虚粒子对,每一个虚粒子对都有一个正能量粒子和负能量粒子组成,总能量为零!

那么在视界附近产生时,负能量粒子可以穿过事件视界到达黑洞内部,而此时正能量粒子则可以逃逸黑洞,但进入黑洞的负能量会消耗黑洞的质量,所以在外部看起来就是黑洞辐射了能量一样!这种辐射后来被称为霍金辐射!

2008年6月,NASA发射了GLAST卫星,试图寻找蒸发的黑洞中γ射线的闪光,但事实上到现在为止,连个鬼都没找着!

那么霍金辐射发现了吗?

上文已经给出答案了,鬼都没找着!那么arXiv上的论文说了啥,为什么很多媒体都解读为霍金辐射已经找到了?

Light, asteroid-mass primordial black holes, with lifetimes in the range between hundreds to several millions times the age of the universe, are well-motivated candidates for the ....... We point out that a new generation of proposed MeV gamma-ray telescopes will offer the unique opportunity to directly detect Hawking evaporation from observations of nearby dark matter dense regions and to constrain, or discover, the primordial black hole dark matter.

这是论文的摘要,其实就说了一个微型黑洞捕捉霍金辐射闪光的一种可能,简单的说就是提出了一种理论上可行的观测霍金辐射的方法,根本就没说观测到了霍金辐射!

微型黑洞是否存在?

到现在为止天文学家发现的都是恒星级黑洞和超大质量黑洞,大都是通过其异常的X射线辐射而被发现的,微型黑洞从理论上来说,它只诞生于宇宙大爆炸时期,那时候产生超致密物质能会出现质量和体积比突破史瓦西度规的情形,但自从大爆炸后,宇宙中再无这样的机会诞生!

另外还有一个问题,从宇宙诞生到现在已经过去了138.2亿年,这些四处游荡的微型黑洞是不是已经长大了,还是如霍金辐射那样蒸发了,都无法确定,而且质量太小,引力透镜效应极低,因此也没有很好的方法观测!

今年早些时候还有科学家提出太阳系的第九颗行星是黑洞,就基于这种可能,那么我们的后院真的隐藏了这样一头巨兽吗?尽管可以将它称之为微型黑洞,但事实上它可以吞了整个太阳系,实在是太可怕了!

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