什么是霍金辐射(什么是霍金辐射症状)

什么是霍金辐射？

大多数人都知道霍金，但很少人知道他的学术贡献具体是啥？今天就来讲讲霍金辐射

霍金辐射到底是什么？

在茫茫宇宙中，一颗恒星的质量大于太阳的二到三倍，当其生命终结时，最后一点氢元素聚变成了稳定的铁元素。一缕耀眼的光芒划破宇宙。接下来，就会是永久的黑暗。恒星没有了核聚变产生的推力来抵御引力。它会无限地坍缩下去，当体积小于史瓦西半径时，就形成了黑洞。

黑洞拥有巨大的引力。在黑洞内，所有的物质都会聚集到一个点上，这个点密度无限大，体积无限小，它就是奇点。而在黑洞的边沿是事件视界，所有越过事件视界的物质都会被吸入黑洞内，甚至连光都无法逃脱。黑洞就像宇宙中的饕餮巨兽吞噬一切。

在我们的固有印象中，光是跑得最快的。既然连光都逃不出黑洞的“血盆大口”，那肯定没有什么可以从黑洞出来了。

这样的观点统治了学界几十年，直到宇宙之王——霍金的霍金辐射理论问世。

大家都知道霍金是继爱因斯坦后最伟大的物理学家之一。他出生于英国牛津，是英国剑桥大学的著名物理学家。不幸的是，霍金在21岁时患上了肌肉萎缩性侧索硬化症，俗称渐冻症。他全身瘫痪，不能言语。只有靠轮椅行走，靠特制的仪器与人交流。虽然霍金的身体被禁锢了，但他的思想仍遨游于宇宙、痴迷于黑洞。

1974年，霍金提出了著名的霍金辐射理论。该理论认为，黑洞并不是阴暗、冰冷的。相反，它在不断地向外界辐射热量。更重要的是，它指出“有东西可以从黑洞出来”。

在真空中会凭空出现许多粒子与反粒子对，它们在极短的时间相互湮灭。这对于宏观的我们来说，没有丝毫影响。但是，如果这对粒子-反粒子 出现在黑洞附近，有可能一个被吸入事件视界，而另一个恰好逃脱。根据能量守恒定律，逃走的那个粒子会携带黑洞本身的质量，这就是——霍金辐射。

霍金辐射的提出具有重大意义。原先学界认为黑洞只会增大，但有了霍金的新理论，让人们意识到黑洞会通过霍金辐射，损失质量。当吸收的质量入不敷出时，黑洞就会慢慢蒸发、缩小，最终消失。当然这是一个十分缓慢的过程。

若一个黑洞与太阳的质量相同，需要10的67次方 年才能完全蒸发。

而银河系中心的超大黑洞要10的87次方 年才能完全蒸发。

大约10的90次方 年后，宇宙中所有黑洞才会蒸发殆尽。

我们的宇宙从诞生到现在也不过才138亿年，大约是10的10次方 年这个数量级。

这些足以说明，霍金辐射十分缓慢而且辐射量也非常小。直到今天天文学家也没有实际观测到霍金辐射，但学界普遍认为霍金的理论是正确的，只是现在我们的观测手段还不足以检测出霍金辐射。

霍金身残志坚，坚持学术研究。他的成果在帮助人们了解宇宙、理解黑洞上做出了卓越的贡献。

霍金出生于1942年1月8日，这一天正是伽利略去世整整三百年。而2018年3月14日霍金去世，这一天又正好是爱因斯坦的生日。或许这就是天意，这就是光辉的传承。

不知以后还会出现哪位科学巨星，继续用他的光和热照耀着人类前进的道路。

霍金辐射的定义及相关内容

黑洞FAQ

霍金辐射

1975年霍金（Hawking）发表了一个令人震惊的结论：如果将量子理论加入进来，黑洞好象不是十分黑！相反，它们会轻微地发出“霍金辐射”之光。（该辐射包括）有光子、中子和少量的各种有质量的粒子。这从未被观测到过。因为我们有证据认为是黑洞的天体都被大量正坠入其中的热气团所包围。这些热气的辐射会完全淹没这种微弱的（辐射）效应。如果一个黑洞的质量是一个M (一个太阳质量，常作为度量天体质量的单位，译者)，霍金预言它将只能发出6×10-8开尔文的“体温”。所以只有很小的黑洞的辐射才会比较显著。特别地，这种效应在理论上是很有趣的，致力于此的学者们已经花费了大量的经历去理解量子理论如何与引力结合在一起，其后果是什么。最富戏剧性的是：一个孤立的、不吸收任何物质的黑洞会慢慢辐射其质量；开始很慢，但越来越快。最后，在其灭亡的一瞬间将象原子弹爆炸那样放出耀眼的光芒。然而一个质量为一个M 的黑洞的全部寿命为1071M 3秒。所以别傻等大块头变成鬼魂了（人们已经开始寻找在宇宙大爆炸中生成的小黑洞的灭亡，但至今未果）。

这是怎么回事？好，你将发现对于霍金辐射的问题，在许多“科普”读物中是这样解释的：

同在任何其他地方一样，虚粒子在黑洞视界边缘不断产生。通常，它们以粒子－反粒子对的形式形成并迅速彼此湮灭。但在黑洞视界附近，有可能在湮灭发生前其中一个就掉入了黑洞。这样另一个就以霍金辐射的形式逃逸出来。

事实上这种论证并不清晰地与实际计算相符。至少我从未看到过标准的计算如何变形以解释关于虚粒子溜过视界。对于此问题，我最后要强调的是没有人求出过一个“狭义”的描述此类在视界边上发生的霍金辐射问题的解释。如果有任何专家可以对此进行指正，我将乐于接受。注意：如果这种启发式的问答变得精确起来，我不会感到惊讶。但我不认为能从通常的计算中求出答案。

通常的计算中涉及巴格寥夫（Bogoliubov）变形。其想法是这样的：当你量子化电磁场的时候，你必须采用经典物理方程（麦克斯韦Maxwell方程）并将其视为正频和负频两部分的线性相加。粗略地讲，一个给出粒子，另一个给出反粒子；更精确地讲，这种分割暗示着对量子真空理论的定义。换言之，如果你用一种方法分割，而我用另一种方法分割，则我们关于真空状态的观点将不符！

对此不必过于惊惶失措，这只是令人有些心烦。毕竟，真空可被认为是能量最低状态。如果我们采用根本不同的坐标系，我们对时间的观念将会完全不同，由此会有完全不同的能量观——因为能量在量子理论中被定义为参数H，时间的开方就以exp(-itH) 给出。所以从一方面讲，我们有充分理由认为，在经典场论中，我们依据不同的正、负频划分得到不同的解——时间依赖于exp(-i omega t) 的线性组合解，被称为正/负频依赖于符号omega——当然，这种选择依赖于如何选择时间坐标t。另一方面，可以肯定我们会有不同的关于最低能量状态的观点。

现在我们回到作为相对论一种特殊情况的明可夫斯基（Minkowski ）平坦的时空。这里有一丛按洛伦兹（Lorentz ）变形区分开的“惯性框架”，它们给出了不同的时间坐标系。但你可以发现，不同的坐标系给出不同的正负频的麦克斯韦方程解的概念之间的区别并不太糟。人们也不会因这些坐标系的不同产生对最低能量态的歧义。所以所有的惯性系中的观察者对于什么是粒子、什么是反粒子和什么是真空的意见是一致的。

但在弯曲的时空中不会有这种“最佳”的坐标系。因此即使是十分合理选择的不同坐标系也会在粒子和反粒子或什么是真空方面产生不一致。这些不一致并不意味着“任何东西都是相对（论）的”，因为存在完善的用以在不同坐标系系统的描述间进行“翻译”的公式，它们就是巴格寥夫变化公式。

所以如果黑洞存在的话*

一方面，我们可以把麦克斯韦方程的解用最清晰的方式分割成正频，这种分割即使是处于遥远未来并且远离黑洞的人也能够做到*

另一方面，我们可以把麦克斯韦方程的解用最清晰的方式分割成正频，这种分割即使是处于（恒星）坍缩成黑洞（一事）发生之前的遥远过去的人也能够做到。

以上就是我给出的最接近普通计算的启发式的解释。关于在遥远未来和远离黑洞的人看不到黑洞里有什么。这个事实，还有其他一些事情要说：他对于这种状态的信息并不完全，他看到了一种带熵的状态，实际上，一种热状态（此处我假设黑洞不是永恒的，因此返回未来的人没有黑洞可供讨论。显然霍金的原始计算正是处理这种情况。但此后的人们为简化计算通过假设黑洞的永恒性而“扩展”了他的解释。这就是讨论此类问题的人们所说的：我只见过掺水的版本！）

实际上，当你对真空作巴格寥夫变形时，你得到一个有粒子和反粒子的状态。这可能就是数学和启发性解释的联系。很可能作出这种通常的启发性解释的人对于此种联系理解得比我更好。

参考书：

Robert M.Wald General Relativity, 14.2-14.4节，University of Chicago Press, Chicago, 1984.（对此话完善精确的描述） Stephen W. Hawking, Particle creation by black holes, Commun. Math. Phys. 43(1975), 199-220. (原版

霍金提出的有关黑洞的理论具体的是什么？

黑洞最早由爱因斯坦预言。

霍金认为，量子物质能够以某种“狡猾”的方式逃出黑洞。他认为，粒子和反粒子对有一定的随机几率能够在其中一个坠入黑洞时，另一个则可能侥幸逃出。这就是著名的“霍金辐射”理论。该理论表明，黑洞不光存在，而且也并非人们先前认为的那样只进不出，它可以缓慢地释放出一些物质，被吸入黑洞的一切物质都最终能在几十亿甚至几万亿年后“重见天日”

国外媒体报道发现霍金辐射，这种传说中的辐射，真发现了吗？

10月13日，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！

霍金辐射原理是怎样的？

霍金提出的霍金辐射原理是：在“真空”的宇宙中，根据海森堡测不准原理，会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子，然后瞬间消失，以符合能量守恒定律，在黑洞视界之外也不例外。霍金推想，如果在黑洞外产生的虚粒子对，其中一个被吸引进去，而另一个逃逸的情况应该是这样：那个逃逸的粒子获得了能量，它不需要跟其相反的粒子一起湮灭，它可以逃逸到无限远，在外界看就像黑洞发射粒子一样。这个猜想后来被证实，这种辐射被命名为霍金辐射。由于它是向外带去能量，所以它是吸收了一部分黑洞的能量，黑洞的质量也会渐渐变小、消失；它也向外带去信息，所以不违反信息定律。

霍金辐射包括光子、中子和少量的各种有质量的粒子。这从未被观测到过，因为有证据认为是黑洞的天体都被大量正坠入其中的热气团所包围。这些热气的辐射会完全淹没这种微弱的辐射效应。如果一个黑洞的质量是一个M。

霍金预言它将只能发出60毫微开尔文的“体温”。所以只有很小的黑洞的辐射才会比较显著。最富戏剧性的是：一个孤立的、不吸收任何物质的黑洞会慢慢辐射其质量，开始很慢，但越来越快。最后，在其灭亡的一瞬间将像原子弹爆炸那样放出耀眼的光芒。

霍金辐射