热辐射和光辐射本质(黑洞的非热辐射与热辐射，彭罗斯与霍金)

Posted 2023-06-02

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热辐射和光辐射本质(黑洞的非热辐射与热辐射，彭罗斯与霍金)

彭罗斯因黑洞研究获得了诺贝尔物理学奖。因为他是霍金的重要搭档，因此很多人为霍金感到可惜，如果霍金还在世的话，那么他肯定也能获得诺贝尔奖。

黑洞是爱因斯坦广义相对论的预言，它是极其致密的天体，连光也无法逃脱出它的引力。那么，如果我告诉你，黑洞也会发出辐射，你是不是觉得前后矛盾了？事实上，黑洞存在着非热辐射和热辐射，而这两者分别与彭罗斯和霍金的理论相关。

黑洞的非热辐射

克尔黑洞是最具有天体物理意义的黑洞，它不仅具有质量，还同时具有角动量，也就是说克尔黑洞是旋转的。在克尔黑洞的事件视界和无限红移面之间有一个能层，这个能层具有负能轨道，这些负能轨道都是角动量为负的轨道。1969年，彭罗斯提出了从克尔黑洞能层提取能量的想法。一个物理分裂成两块，其中一块落入能层，另一块自由地飞往宇宙空间。落入能层的那一块最终会具有负的能量，由于能量守恒，另一块物体的能量必然增加。这被称为彭罗斯过程。

实际上，彭罗斯过程提取的是黑洞的转动能量。当我们反复施加这一过程，会使黑洞的能量和角动量缩小，最终克尔黑洞会退化为不转动的史瓦西黑洞。物理学家米斯纳从彭罗斯过程得到启发，预言黑洞必然存在受激辐射。他认为，彭罗斯过程对微观粒子也能起作用。此时，量子效应已经起作用，入射的量子可以看作入射波，根据彭罗斯过程，出射波的强度会变得更大。因此，彭罗斯过程对量子来说类似于一种激光的超辐射。

除了受激辐射外，还应有自发辐射的存在。狄拉克认为所谓的真空，不过是量子的最低能态。由于存在负能态，最低能态不能有正能粒子，而且负能态还必须被负能粒子填满。由于黑洞真空中的负能态是被粒子填满的，而正能态是空着的，因此某些负能粒子会通过隧穿成为正能粒子，并带走黑洞能量飞向远方，这就是黑洞的自发辐射。

黑洞的受激辐射和自发辐射均属于非热辐射，它们都与温度没有关系。彭罗斯过程和非热辐射遵守面积定理，它们会使得黑洞的面积不断增大，直到退化为史瓦西黑洞，此时黑洞面积达到最大。

黑洞的热辐射

1973年，霍金发现了黑洞具有热辐射，而且他还将统治黑洞的四条定律与热力学的四条定律联系起来。现在，我们将霍金发现的黑洞热辐射称为霍金辐射。霍金辐射与之前提到的非热辐射有本质上的不同。霍金辐射是标准的黑体辐射，它与温度有关，而前面提到的非热辐射与温度无关。不仅如此，霍金辐射不遵从面积定理，在辐射过程中，黑洞的面积会减少，质量也会减小。

谈起霍金辐射，我们必须先了解量子涨落。真空中存在量子涨落，它会在空间中的某一个位置生成一对虚粒子。通常情况下，这对粒子很快生成之后又互相湮灭了。但是，如果这对粒子恰好处于黑洞的事件视界附近，那么有可能其中一个粒子会进入黑洞中，另一个粒子则逃出黑洞飞向远方，这就是霍金辐射。

但是，由于霍金辐射极其微小，目前人类还没有探测到它。随着引力波天文学的发展，相信在不久的将来，我们一定能证明霍金辐射是正确的。