黑洞究竟是冷是热？

黑洞有温度吗？它是冷的还是热的？

上回说距离我们 5000 光年的领结星云是目前宇宙中的最冷之处。当然，前提是“已观测到”和“天然存在”。有人说：那黑洞的温度不是应该更低吗？

对于黑洞，除了通过天体运动、周围环境的辐射情况以及拍几张模糊的照片外，目前还没有特别直接的观测方式。所以黑洞本体的温度究竟是冷是热，我们没有任何办法和条件去实际测量。黑洞的温度严格来说只是理论上的一种预测，算不上“已观测到”的最冷之处。

还有人会有疑问：“黑洞不是经常有喷流、高能射线什么的，那应该很热才对吧？”

还有说：“黑洞内部我们不可能观测到呀，说它是冷是热没有任何意义嘛。”

首先，黑洞的高能射线显然不是内部发出的，它们其实源于黑洞的视界面外的东西，比如吸积盘。我们说“黑洞的温度”指的也不是黑洞内部的真实温度，而是一种根据辐射得出的等效温度。

黑洞连光都逃不出，怎么还有辐射呢？故事要从上世纪 70 年代讲起……

根据广义相对论这种经典物理，早先人们普遍认为黑洞应该是全黑的，毕竟光都跑不出来嘛。而且对于黑洞来说，除了质量、角动量、电荷外，再没有其他信息。这里不存在任何基本粒子，更别说原子、分子这些了。这就带来了一个问题：假如物体落入黑洞，那这个物体之前是由什么构成的、怎么构成的，这些信息都没有了，换句话说就是原本的熵凭空消失了。如果把宇宙看做一个孤立系统的话，这件事意味着宇宙的熵只减不增，这岂不违背了热力学第二定律？

1971 年，霍金首次提出了“黑洞面积定理”，证明了黑洞视界的表面积只能增加不会减小。就是说两个小黑洞可以合并成一个大黑洞，但是一个大黑洞不可能再分裂成小黑洞了。这看似平平无奇的一条结论，第二年却被一个年轻人悟出了真谛。

1972 年，年仅 25 岁的雅各布・贝肯斯坦此时正在攻读普林斯顿大学的博士学位，他的导师正是那个给黑洞起名的约翰・惠勒。贝肯斯坦在得知霍金关于黑洞面积只增不减的理论后想：“只增不减？我记得有一个物理量说的也是只增不减…” 没错，此时贝肯斯坦想到的便是热力学中的“熵”。

通过某种换算，我们可以把黑洞的视界面表面积作为黑洞熵的一种替代量度。黑洞不是没有熵，只是没有我们认为的那种熵。随后贝肯斯坦将这一想法整理成论文，正式提出了“黑洞熵”这一概念。从此，一个全新的研究领域被开创了出来 ——“黑洞热力学（BHT）”，这一领域也对日后量子引力以及全息原理产生了深远影响。

自从黑洞有了熵，热力学第二定律算是保住了，但是新的问题又来了：既然黑洞有熵，那么根据热力学第三定律，黑洞它应该也有温度，有温度就会有热辐射，这显然与黑洞“只进不出”这种特性又矛盾了。

首先提出质疑的便是霍金，他认为黑洞之所以叫“黑”洞，就是因为它不会发出任何辐射，所以黑洞的熵和热力学中的熵应该并不是一回事。

但是仅仅过了两年，霍金便改变了先前的观点。因为后来他又仔细研究了该问题，当他在原本的广义相对论中引入量子场论时，发现原本只进不出的黑洞竟然真的可以向外辐射能量！黑洞原来并不“黑”，而是“灰”的！在这之后人们便把这种辐射称为“霍金辐射”。

根据温度的传统定义，黑洞本应该和真空一样不存在温度一说，因为根本就没有粒子，更谈不上粒子运动的剧烈程度。但是霍金辐射又和传统的热辐射十分类似，从这点来看黑洞理应是有“温度”的。

可是这又引出了另一个问题：先前说落入黑洞的物体的熵凭空消失了，现在来看它并没有真的消失，而是以某种形式成为了黑洞视界面的一部分。但是既然黑洞有温度存在热辐射，那终将有一天它会蒸发干净。由于热辐射又不携带传统意义上的信息，那么落入黑洞的那个物体的熵这下就真的从宇宙中彻底消失了，这么一来便又违背了信息守恒定律。要知道，信息守恒像能量守恒一样，它们都是自然界最基本的定律。于是随着霍金辐射的诞生，又一个棘手的问题出现在人们面前 —— 黑洞信息悖论。

看到没，科学发展就是这样，经常是“按下葫芦起了瓢”。黑洞信息悖论可以说困扰了霍金的整个后半生，直到今天这个问题仍然没有得到彻底解决。

说回霍金辐射。连光都无法逃脱的黑洞，能量是怎么从里面出来的呢？真空中的量子涨落是目前最容易理解的一种解释。

看过量子系列的朋友应该都很熟悉了，量子涨落简单来说就是，真空中会随机出现一对儿虚粒子，然后很快又湮灭掉。但是有一种情况，这个过程会被意外中断，就是涨落出现在黑洞视界面附近的时候。

当两个虚粒子一个在视界面内，一个在视界面外，这时候它俩如同阴阳两隔，无法再像往常一样相互湮灭。位于内部的虚粒子被黑洞吞掉，而外面那个粒子则会逃逸掉。这些逃逸掉的粒子就被视为黑洞向外辐射的粒子。

虽然理论上黑洞可以通过这种方式向外释放热量，但是这种辐射极其微弱，即使和宇宙微波背景辐射相比还要弱得多，所以黑洞即使有温度也是非常低的。而且黑洞的温度和它的质量成反比，越大的黑洞温度反而越低。

对于一个 10 倍太阳质量的黑洞，它的温度大约只有 6nK，也就是 10⁻⁹K 这个量级，只比绝对零度高了大约十亿分之一度。而拥有 400 万倍太阳质量的银心黑洞，量级更是到了 10⁻¹⁴K。对于那些更大质量的超级黑洞，甚至可以到达 10⁻¹⁸K。

由于逃逸掉的粒子是具有正质量的实粒子，根据质量守恒，那些被黑洞吞掉的粒子则被视为具有负的质量。这样一来黑洞会因为吞噬负质量粒子而损失质量，同时自身也会变得越来越热，从而蒸发也变得越来越快。

不过目前发现的黑洞至少都是几倍太阳质量的恒星级黑洞，它们的霍金辐射温度远小于宇宙微波背景辐射的温度，所以在相当长的一段时间内，这些黑洞都无法通过霍金辐射损失质量，毕竟环境温度比自身高嘛。除非是月球质量大小的、半径只有 0.1mm 的微型黑洞，只有小于这种体量的黑洞，它们的霍金辐射温度才会大于目前的背景辐射温度，才有可能开始蒸发自己。

不过随着宇宙的持续膨胀，背景辐射的温度终将会降低到大质量黑洞的霍金辐射温度以下。到那个时候，宇宙中的这些黑洞将一个个的开始“蒸发”，只是这个蒸发过程也是无法想象的长。大约经过一古戈尔年（也就是 10¹⁰⁰ 年），这些黑洞最终会蒸发成微粒大小，然后“砰的一声”消失在宇宙中。

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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