逃脫黑洞的可能:《時空旅行的夢想家:史蒂芬‧霍金》選摘(2)

2017-12-21 05:10

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霍金輻射怎麼能讓黑洞變小?隨著黑洞把虛粒子變換成實粒子,同時也失去能量。若是沒有任何東西能逃出事件視界,又如何會發生這種事情?黑洞怎麼能失去任何東西?答案有點像變戲法:帶了負能量的粒子攜帶這股負能量進入黑洞的時候,黑洞內部的能量也跟著變少。「負」就是指「減」,減了就代表少了。

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霍金輻射就是這樣奪走黑洞的能量。當某件事情能量減少,它的質量也自動變小了。回想愛因斯坦的方程式E =mc2。式中E代表能量,m代表質量,c代表光速。當(位於等號一側的)能量減少(就如黑洞中發生的情況),等號另一側的某件事物也得跟著變小。光速不可能改變,變小的必定是質量。所以,當我們說黑洞的能量被奪走,也就是說黑洞的質量被奪走。

把這點記在心中,並請回想牛頓的重力相關發現:物體質量出現任何變化,都會改變它施於另一件物體的重力拉力強度。倘若地球的質量減少(這次不是變小,而是質量減少了),則從月球繞行軌道感受到的地心引力也會跟著減弱。倘若黑洞失去質量,從原本的事件視界(無法回頭的半徑)位置所感受到的黑洞重力拉力也會減弱。於是那處半徑位置的脫離速度就會低於光速,這時脫離速度等於光速的半徑已經變小。新的事件視界會向內靠,因此事件視界收縮了。只有靠這種做法,我們才能得知黑洞有可能變小。

倘若我們測量(恆星塌縮形成的)大型黑洞發出的霍金輻射,結果就會讓我們失望。這般尺寸的黑洞,表面溫度比絕對零度超出不到百萬分之一度。黑洞愈大,溫度愈低。霍金說明:「我們那顆『10』太陽質量的黑洞,有可能每秒射出幾千顆光子,然而它們的波長應該就如黑洞這般尺寸,能量這麼少,我們恐怕沒辦法感測得到。」這當中的運作方式是,質量愈大,事件視界的面積就愈大;事件視界的面積愈大,熵就愈多;熵愈多,表面溫度和放射率也愈低。

*作者為演唱家、指揮家以及科學作家,與霍金相識二十餘年,並於二〇〇〇年協助霍金完成大作《胡桃裡的宇宙》(The Universe in a Nutshell),另著有:《丈量宇宙》。本文選自作者著作《時空旅行的夢想家:史蒂芬‧霍金》2017全新增訂版(時報出版)

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