第17章 黑洞不是这么黑的(2)

如许，即便我们还不能找到一个太初黑洞，大师相称遍及地同意，如果找到的话，它必须正在发射出大量的伽马射线和X射线。

遵循爱因斯坦方程E=mc2（E是能量，m是质量，c为光速），能量和质量成反比。是以，往黑洞去的负能量流减小它的质量。跟着黑洞丧失质量，它的事件视界面积变得更小，但是它发射出的辐射的熵过量地赔偿了黑洞的熵的减少，以是第二定律从未被违背过。

即便对太初黑洞的寻求证明是否定的，看来能够会是如许，仍然给了我们关于极初期宇宙的首要信息。如果初期宇宙曾经是浑沌或不法则的，或者如果物质的压力曾经很低，能够预感到会产生比我们由观察伽马射线背景设下的极限更多很多的太初黑洞。只要当初期宇宙是非常光滑和均匀的，并有很高的压力，人们才气解释为何没有可观数量标太初黑洞。

但是，即便我们不能把握来自这些太初黑洞的辐射，我们观察到它们的机遇又如何呢？我们能够寻觅太初黑洞在其首要保存期里收回的伽马射线辐射。固然大部分黑洞在很远以外的处所，从它们来的辐射非常弱，但是从它们全部来的总辐射是能够检测获得的。我们确切察看到如许的一个伽马射线背景：察看到的强度随频次（每秒颠簸的次数）的窜改。但是，这个背景能够，并且大抵是由除了太初黑洞以外的过程产生的。如果每立方光年均匀有300个太初黑洞，它们所发射的伽马射线的强度应如何随频次窜改。是以能够说，伽马射线背景的观察并没给太初黑洞供应任何必定的证据。但它们明白奉告我们，在宇宙中均匀每立方光年不成能有多于300个太初黑洞。这个极限表白，太初黑洞最多只能构成宇宙中一百万分之一的物质。

因为能量不能无中生有，以是粒子反粒子对中的一个朋友具有正能量，而另一个具有负能量。因为在普通环境下实粒子老是具有正能量，以是具有负能量的那一个粒子必定是短折的虚粒子。是以，它必须找到它的朋友并与之相互泯没。但是，因为实粒子要破钞能量抵当大质量物体的引力吸引才气将其推到远处，一颗实粒子的能量在靠近大质量物体时比在阔别时更小。普通环境下，这粒子的能量仍然是正的。但是黑洞里的引力是如此之强，乃至在那边实粒子的能量都可以是负的。是以，如果存在黑洞，带有负能量的虚粒子落到黑洞里能够变成实粒子或实反粒子。这类景象下，它不再需求和它的朋友相互泯没了。它被丢弃的朋友也能够落到黑洞中去。或者因为它具有正能量，也能够作为实粒子或实反粒子从黑洞的邻近逃脱 。对于一个远处的察看者而言，它就显得是从黑洞发射出来的粒子一样。黑洞越小，负能粒子在变成实粒子之前必须走的间隔越短，如许黑洞发射率和表观温度也就越大。

辐射出去的正能量会被落入黑洞的负能粒子流均衡。

黑洞辐射的存在仿佛意味着，引力坍缩不像我们曾经以为的那样是终究的、不成逆转的。如果一个航天员落到黑洞中去，黑洞的质量将增加，但是终究这分外质量的等效能量将会以辐射的情势回到宇宙中去。如许，此航天员在某种意义上被“再循环”了。但是，这是一种非常不幸的不朽，因为当航天员在黑洞里被扯开时，他的任何小我的时候的观点几近必定都达到了起点！乃至终究从黑洞辐射出来的粒子的种类，普通来讲都和构成这航天员的分歧：这航天员所遗留下来的独一特性是他的质量或能量。

黑洞辐射的思惟是这类预言的第一例，它以根基的体例依靠于本世纪两个巨大实际，即广义相对论和量子力学。因为它颠覆了已有的观点，以是一开端就引发了很多反对：“黑洞如何能辐射东西？”当我在牛津四周的卢瑟福一阿普顿尝试室的一次集会上，第一次宣布我的计算成果时，遭到了遍及质疑。我报告结束后，集会主席伦敦国王学院的约翰・泰勒宣布这统统都是毫偶然义的。他乃至为此还写了一篇论文。但是，终究包含约翰・泰勒在内的大部分人都得出结论：如果我们关于广义相对论和量子力学的其他看法是精确的，那么黑洞必须像热体那样辐射。

因为太初黑洞是如此奇怪，仿佛不太能够存在一个近到我们能够将其当作一个伶仃的伽马射线源来察看的黑洞。但是因为引力会将太初黑洞往任何物体处拉近，以是它们在星系内里和四周应当会更稠密很多。固然伽马射线背景奉告我们，均匀每立方光年不成能有多于300个太初黑洞，但它并没有奉告我们，太初黑洞在我们星系中有多么遍及。比方讲，如果它们的密度比这个遍及100万倍，则分开我们比来的黑洞能够约莫在10亿千米远，或者约莫是已知的最远的行星――冥王星那么远。在这个间隔上去探测黑洞恒定的辐射，即便其功率为1万兆瓦，还是非常困难的。为了观察到一个太初黑洞，人们必须在公道的时候间隔里，比方一礼拜，从同方向检测到几个伽马射线量子。不然，它们仅能够是背景的一部分。因为伽马射线有非常高的频次，从普朗克量子道理得知，每一伽马射线量子都具有非常高的能量，如许乃至辐射1万兆瓦都不需求很多量子。而要观察到从冥王星这么远来的这些希少的粒子，需求一个比任何迄今已经制作的更大的伽马射线探测器。何况，因为伽马射线不能穿透大气层，此探测器必须安排到太空。

一个具有几倍太阳质量的黑洞只具有一千万分之一度的绝对温度。这比充满宇宙的微波辐射的温度（约莫2.7K）要低很多，以是这类黑洞的辐射比它接收的还要少。如果宇宙必定持续永久收缩下去，微波辐射的温度就会终究减小到比这黑洞的温度还低，它就开端丧失质量。

但是即便到了当时候，它的温度是如此之低，乃至于要用100亿亿亿亿亿亿亿亿年（1前面跟66个0）才全数蒸发完。这比宇宙的春秋长很多了，宇宙的春秋约莫只要100至200亿年（1或2前面跟10个0）。另一方面，正如第六章提及的，在宇宙的极初期阶段存在因为无规性引发的坍缩而构成的质量极小的太初黑洞。如许的小黑洞会有高很多的温度，并以大很多的速率收回辐射。具有10亿吨初始质量的太初黑洞的寿命大抵和宇宙的春秋不异。初始质量比这小的太初黑洞应当已蒸发结束，但那些比这稍大的黑洞仍在辐射出X射线以及伽马射线。这些X射线和伽马射线像光波，只是波是非很多。如许的黑洞几近不配这黑的外号：它们实际上是白热的，正以约莫1万兆瓦的功率发射能量。

另有，黑洞的质量越小，其温度就越高。如许，跟着黑洞丧失质量，它的温度和发射率增加，因此它的质量丧失得更快。当黑洞的质量最后变得极小时会产生甚么，人们并不很清楚。但是最公道的猜想是，它终究将会在一次庞大的，相称于几百万颗氢弹爆炸的辐射暴中消逝殆尽。

一个如许的黑洞能够开动10个大型的发电站，只要我们能够把握黑洞的功率就好了。但是，这是非常困难的：这黑洞把和一座山差未几的质量紧缩成比万亿分之一英寸，亦即一个原子核的标准还小！如果你在地球大要上有如许的一个黑洞，就没法禁止它透过空中落到地球的中间。它会穿过地球而来回振动，直到最后停在地球的中间。以是独一的安排黑洞并操纵之发射出能量的处所是环绕着地球的轨道，而独一的使它环绕地球公转的体例是，用在它之前的一个大质量的吸引力去拖它，这和在驴子前面放一根胡萝卜非常相像。起码在比来的将来，这个假想并不实际。

当然，如果一颗像冥王星这么近的黑洞已达到它生命的末期并要爆炸开来，很轻易检测其最后辐射暴。但是，如果一个黑洞已经发射了100至200亿年，不在畴昔或将来的几百万年里，而是在将来的多少年里达到它生命起点的能够性真是微不敷道！以是在你的研讨补助用光之前，为了有一公道的机遇看到爆炸，必须找到在约莫1光年间隔以内检测任何爆炸的体例。究竟上，本来制作来监督违背制止核实验条约的卫星检测到了从太空来的伽马射线暴。这些每个月仿佛产生16次摆布，并且大抵均匀地漫衍在天空的统统方向上。这表白它们发源于太阳系以外，不然的话，我们能够预感它们要集合于行星轨道面上。这类均匀漫衍还表白，这些伽马射线源要么处于银河系中离我们相称近的处所，要么就在它的核心的宇宙学间隔之处，因为不然的话，它们又会合中于星系的平面四周。在后者的景象下，产生伽马射线暴所需的能量实在太大，藐小的黑洞底子供应不起。但是如果这些源以星系的标准衡量和我们邻近，那便能够是正在发作的黑洞。我非常但愿这类景象成真，但是我必须承认，还能够用其他体例来解释伽马射线暴，比方中子星的碰撞。将来几年的新观察，特别是像LIGO如许的引力波探测器，应当能使我们发明伽马射线暴的发源。

当黑洞的质量大于几分之一克时，我用以推导黑洞辐射的近似应是很有效的。但是，当黑洞在它的生命晚期，质质变成非常小时，这近似就见效了。最能够的成果看来是，它起码从宇宙的我们这一地区消逝了，带走了航天员和能够在它内里的任何奇点（如果此中确有一个奇点的话）。这是量子力学能够去掉广义相对论预言的奇点的第一个迹象。但是，我和其别人在1974年利用的体例不能答复诸如在量子引力论中是否会产生奇性的题目。是以，从1975年以来，按照理查德・费恩曼对于汗青乞降的思惟，我开端推导一种更强有力的量子引力论体例。这类体例对宇宙以及其诸如航天员之类的内容的开端和闭幕给出的答案，将在以下两章论述。我们将会看到，固然不肯定性道理对于我们统统的预言的精确性都加上了限定，同时它却能够解撤除产生在时空奇点处的根基的不成预言性。