就在今年4月10號(hào)的21點(diǎn)，我們這一代人有幸目睹了黑洞的真容，當(dāng)時(shí)滿心期待，不過(guò)那畢竟是人類第一張關(guān)于宇宙未知天體的照片，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有被真震撼到，反而是加入了惡搞黑洞照片的行列，唯一感到震驚的是，我們?nèi)祟惖睦碚摽茖W(xué)對(duì)黑洞的描述和預(yù)測(cè)是符合基本情況的，所以我也相信在往后的科學(xué)發(fā)展中人類一定能獲得更加清晰的黑洞影像。就像1994年和2018年冥王星照片的對(duì)比：

這是一個(gè)很真是的例子

黑洞會(huì)永恒嗎

已知黑洞的大小范圍從太陽(yáng)質(zhì)量的幾十倍(如天鵝座X-1)到太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)十億倍(甚至數(shù)百億倍)。我們的銀河系中心就有一個(gè)大約太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍的超級(jí)黑洞。

對(duì)于一顆像我們太陽(yáng)這樣的恒星，原子的量子特性可以讓它抵抗重力，在死亡時(shí)會(huì)形成一顆紅矮星，對(duì)于一顆質(zhì)量是我們太陽(yáng)質(zhì)量7~12倍的恒星衰亡時(shí)核心將融合成一個(gè)巨大致密的中子團(tuán)，形成中子星。如果一顆恒星的質(zhì)量是我們太陽(yáng)質(zhì)量的12-15倍，在其核心燃料耗盡時(shí)，恒星會(huì)在自身重力的作用下坍塌，形成一顆較小的黑洞。

現(xiàn)在我們知道宇宙中存在大量的黑洞，黑洞強(qiáng)大的引力甚至連光都無(wú)法逃脫，這說(shuō)明黑洞可以只進(jìn)不出啊，從這個(gè)意義上說(shuō)黑洞沒(méi)有任何損耗，那么黑洞能不能永恒存在？如果不能，那它們又是如何蒸發(fā)的呢?

我們今天就了解下海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和霍金輻射，是怎樣讓黑洞蒸發(fā)的？

海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的基礎(chǔ)，其“詭異”之處在于，它告訴我們，在有限的時(shí)間內(nèi)，你無(wú)法準(zhǔn)確的測(cè)量測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)的能量:存在固有的能量和時(shí)間的不確定性。這意味著:存在時(shí)間很短的粒子(如希格斯玻色子或頂夸克)其質(zhì)量具有內(nèi)在的不確定性，系統(tǒng)的質(zhì)量或能量的測(cè)量不可能在瞬間完成。而且最重要的是完全真空的空間本身也具有非零的能量，也就是真空量子能。

量子力學(xué)為我們提供了一種對(duì)真空量子能可視化的方法。下圖

上圖中粒子-反粒子對(duì)遵守海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理可以在很短的時(shí)間內(nèi)突然出現(xiàn)或消失!有了這幅圖，我們就可以看下真空中的正反粒子對(duì)是怎樣讓黑洞衰變的！

我們都知道黑洞無(wú)論大小都有一個(gè)視界面。在事件視界內(nèi)，任何形式的能量都會(huì)被困在黑洞里，包括任何粒子-反粒子對(duì)，任何形式的輻射都無(wú)法逃脫。然而，在事件視界的另一邊，能量要么留在外部，要么落入黑洞。如果粒子-反粒子對(duì)在事件視界處形成，我們可以想象大多數(shù)時(shí)候，它們會(huì)在外面正常湮滅，但偶爾會(huì)出現(xiàn)意外情況，其中一個(gè)粒子或反粒子會(huì)不小心掉入黑洞里，而另一個(gè)則留在外面!看下圖：

通過(guò)上圖我們很清楚的可以看到，真空中的正反粒子對(duì)大部分會(huì)在外邊湮滅，只有一小部分粒子會(huì)被孤立出來(lái)，這是一個(gè)即神奇又完整的結(jié)果，為什么說(shuō)不完整呢？因?yàn)檫@里會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題。

• 第一，就是粒子的“能量成本”問(wèn)題，也就是說(shuō)，通過(guò)能量守恒，我們知道能量是不會(huì)憑空出現(xiàn)也不會(huì)憑空消失的。即使是量子的不確定性也只允許在極短極短的時(shí)間內(nèi)“欺騙”宇宙的能量守恒定律;但最終還是要湮滅歸還宇宙的!
• 第二，這種機(jī)制產(chǎn)生的黑洞輻射溫度可以通過(guò)下面公式計(jì)算出來(lái)，黑洞溫度唯一依賴的是黑洞的質(zhì)量。（看公式，溫度和質(zhì)量成反比）

實(shí)際上，要產(chǎn)生最輕的粒子/反粒子對(duì)需要幾十億度的高溫，一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的溫度會(huì)低于1微開(kāi)爾文，而且質(zhì)量越大的黑洞輻射溫度更低。換句話說(shuō)，黑洞周圍能量根本就不存在，無(wú)法制造出這些粒子中的任何一個(gè)。

那么到底是什么落入了黑洞，又發(fā)生了什么?

我們需要知道的是，真空中產(chǎn)生的粒子并不是真實(shí)的粒子，而是正在被創(chuàng)造出來(lái)的虛粒子。上文中展示的“粒子-反粒子對(duì)”是一個(gè)非相對(duì)論性的可視化圖像，它更好地表現(xiàn)了我們宇宙的基本量子場(chǎng)論。相對(duì)于“真實(shí)的粒子-反粒子對(duì)”，真空中產(chǎn)生的粒子是從未實(shí)際存在過(guò)的虛粒子。但只要最終狀態(tài)與能量守恒定律相一致，它們就能在有限的時(shí)間內(nèi)存在。

考慮到這一點(diǎn)，那么黑洞視界外發(fā)生了什么?

真空一直在制造這些虛粒子-反粒子對(duì);在某些情況下，粒子掉入黑洞，反粒子留在外面，在某些情況下，反粒子掉入黑洞，粒子留在外面。如果有兩個(gè)正反虛粒子對(duì)發(fā)生以上的情況，就可以從黑洞中得到真實(shí)的能量輻射。

在事件視界外，假如有兩個(gè)粒子-反粒子對(duì):對(duì)1，反粒子落入，粒子逃逸;對(duì)2，粒子落入，反粒子逃逸。從對(duì)1逃逸的粒子和從對(duì)2逃逸的反粒子相互作用，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)光子(光子是能量存在的形式)，它們可以以霍金輻射的形式逃逸，具有真實(shí)的正能量。

但這種能量不是免費(fèi)的！它是從哪里來(lái)的？由于掉入黑洞的一個(gè)粒子對(duì)發(fā)生湮滅，讓真空損失了能量，能量不會(huì)憑空消失，所以留在外部逃逸的粒子會(huì)帶走黑洞的質(zhì)量，所以我們最終得到了逃逸的輻射和質(zhì)量降低的黑洞!

違反直覺(jué)的是，在質(zhì)量較低的黑洞周圍能量損失的速度更快，因?yàn)樾『诙吹囊暯缰車目臻g曲率實(shí)際上更強(qiáng)!會(huì)有更多的虛粒子對(duì)被拆散。

一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的黑洞要蒸發(fā)大約需要10^67年，而宇宙中最大的黑洞要蒸發(fā)大約需要10^100年。這比宇宙目前的年齡都要長(zhǎng)得多，但黑洞并不是永恒的。它在量子力學(xué)和霍金輻射的作用下會(huì)慢慢蒸發(fā)！