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黑洞会释放它们的能量吗?我们能知道黑洞吸收了什么吗?

2020-09-07 21:30 作者:天文在线  | 我要投稿

 

想拿回不小心掉进黑洞的《战争与和平》吗?至少还得等数百亿年

       

     

(图解:2019年4月10日公布的黑洞照片,位于M87星系中心)

物理学家说:在任何合理的意义上,这两个问题的答案都是“不”,然而,理论上,答案是“能”。

黑洞通过“霍金辐射”释放能量,这是广义相对论、量子力学和热力学的惊人结合。霍金(以及之后的科学家)预言黑洞可以产生黑体光谱,那就是说,它们会像人、太阳,甚至任何具有温度的物体一样向外发出辐射。霍金还计算出,辐射会使黑洞达到怎样的温度。他发现对于一个质量为M的黑洞,有如下公式:

       

             

     ,在此公式中,除了质量M外,其他所有量均为物理常量(甚至8也是,就看你如何理解它)。代入所有常量,我们将得到以下公式:        

     ,其中,质量M的单位是千克(kg),温度T的单位是开尔文(K)。“        

     ”可能会让人们认为黑洞的温度很高,但实际上,较小的黑洞(就像我们在欧洲核子中心见到的那样)温度极高。然而,如果太阳(质量为        

     kg)是一个黑洞,它的温度只会达到大约60纳开尔文!舔它一口,你的舌头就会冻成冰棍。   它的温度约为2.7开尔文,那就意味着所有理论上可以形成的黑洞(        

     kg,或大于几个太阳质量)它们的温度都将远远低于2.7开尔文。实际上,由于

黑洞的温度低于2.7K,它们吸收的能量将多于释放的能量。宇宙中现存的黑洞,只有温度高于2.7K才能收缩。所以它们的质量至多为        

     kg,或者大约为月球质量的一半。当然你也可以等上几万亿年来等到宇宙冷却下来,之后黑洞才能蒸发。

       

             (图解:黑洞破坏路过的恒星     图源:NASA)

至于问题的后一半,广义相对论表明,当物体落入黑洞时,它们就消失了,一旦它们落入黑洞,我们根本无法区分一吨    和一吨    。这让物理学家很不舒服,因为除了所有通常的保守法(能量、动量、毒品政策)量子物理学家还有  

 

       

     

(图解:大麦哲伦云面前的黑洞(中心)的模拟视图     图源:wikipedia)

 

幸运的是,他们还可以利用量子纠缠。因此如果你向黑洞内扔一本《战争与和平》,黑洞就会辐射出热,这是最为随即的辐射方式,可能会吞掉托尔斯泰所有的作品。如果你一次只观测黑洞发射出的一个光子,你几乎什么信息都得不到,但无论如何,你可以收集从黑洞发射出的所有光子并使它们互相干涉,然后分析出它们是怎样纠缠的。理论上,你就可以推导出那些物体落入了黑洞。然而,你得收集到至少一半的光子,才能说明它们携带了信息。

黑洞在它们辐射的所有光子中通过量子纠缠储存信息,这是黑洞的图景。知道了这一点,黑洞就突然变得有意思多了。不用知道太多细节,如果你有N个非纠缠态的双态粒子,你会拥有N比特的信息。但是如果你有N个纠缠态的双态粒子,你会拥有2N比特的信息。(量子)纠缠为我们提供了跟多可以储存信息的空间。        

     

 

你会突然发现宇宙中大多数的熵都存在于黑洞中,而且理论上讲,一个精心构建的黑洞可能是可以被创造出的最快最强大的计算机。

的确,我们必须等到宇宙完全冷却,黑洞才会释放它全部的能量。我们可以知道什么物体进入了黑洞,但我们必须等到黑洞完全蒸发(宇宙冷却后),才能无干扰地捕捉从原来的黑洞中发射出的几乎所有粒子。

       

     

作者: The Physicist

FY: DX90E2

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