黑洞辐射论文的题目

多年来，对黑洞的研究表明，一旦进入黑洞视界，任何物质都不可能脱离黑洞。然而，在1974年，斯蒂芬·霍金提出了一个理论，得出了一个不同的结果。在这篇论文中，霍金假设黑洞会随着时间的推移缓慢地释放能量，这不可避免地会导致黑洞质量的减少。 最初，黑洞能量的释放很小，然而，随着黑洞的收缩，能量释放的速度会加快。直到黑洞生命的最后一刻，它会释放出规模非常巨大的能量，然后完全消失。后来，这个黑洞释放能量的过程被称为霍金辐射，它是量子场论的结果。 霍金想象在一个黑洞诞生之前的空间中画出一条穿越时间的线，沿着这条线共振的量子场，从黑洞存在之前一直延伸到它之后的未来。在黑洞诞生之前，一切都很正常，量子场是自由共振的，可以相互抵消。然而，黑洞的出现改变了空间曲率。霍金意识到，黑洞出现之后并不是所有共振都被抵消了，在远离黑洞的事件视界之外，他发现了与飞入太空的热辐射完全匹配的共振。 但是，正如霍金所预测的那样，要证明霍金辐射非常困难，因为与宇宙背景辐射相比，它显得非常微弱。尽管有一些反对意见，霍金辐射背后的数学原理是合理的，科学家们已经采取措施来证明这一点。在以色列理工学院的实验室里，研究霍金辐射的研究人员想出了一个办法，来克服测量真实黑洞的困难。 他们通过创造一个模拟物来做到这一点——声波黑洞，它可以模仿真实黑洞的特性。声速比光速慢得多，因此创造一种传播速度比声音快的介质要容易得多。当介质移动时，任何与它同向传播的声波都无法完全逃离它，从而创造出了声波黑洞的视界。有趣的是，霍金的数学方法适用于声波黑洞，就像适用于基于引力的黑洞一样，所以霍金辐射应该可以在声波黑洞中被探测到。 在该实验中，介质是由8000个原子组成的气体，这些原子被激光冷却到接近绝对零度，形成了玻色-爱因斯坦凝聚体。而后，第二束激光驱动它开始流动，流动速度超过了当地声速。研究人员的目标是寻找视界之外自发形成的量子声波对。发现了这些量子声波对之后，还要确认它们是否与实验相关，或者只是外界扰动而产生的。 在124天的连续实验中，研究人员重复实验97000次，他们检测到霍金辐射的多个实例，并发现它与霍金对辐射的可能行为的预测相吻合。虽然这并不能证明霍金辐射在真实的黑洞中也是真实存在的，但霍金的数学方法在声波黑洞模拟中起作用，这一事实有力地暗示了霍金辐射的可能性。

外国媒体这么报道是一回事，是不是真的发现还有待进一步的观察。

看时间简史的第6章!

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！

黑洞已不是完全“黑”的，也不单纯是个“洞”，它既可以通过吸积物质使质量增加，也可以向外发射物质，而使质量减小。在量子力学里，真空并不意味着没有任何场，粒子或能量。量子真空是一种能量为最低的状态，它只是被称作“真空”而已，实际上能量为零的状态是不存在的。真空不空时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空。由于质量与能量的等价性，真空中的能量涨落就可以导致基本粒子的生成。1928年，保罗.狄拉克发现，每一种基本粒子都有一种对应的反粒子，二者质量相同，其他性质呈“镜像”对称。两者相遇，就会相互湮灭，将质量转化为能量。因此，一个粒子和它的反粒子就表示相当于它的静质量的两倍的能量，反过来，一定的能量也可以被看作是一对正反粒子。于是，由于能量涨落而躁动的量子真空就成了所谓“狄拉克海”，其中遍布着自发出现而又很快湮没的正反粒子对。在不存在任何力的量子真空里，粒子对不断地产生和消灭，所以平均而言，就没有任何粒子或反粒子真正产生或是消灭。由于这些粒子瞬时存在而不能被直接观测到，所以被称为虚粒子（可以是虚光子，虚电子，虚质子等）。其实虚粒子和实粒子并没有本质的区别，只是虚粒子没有足够的能量，存在的时间极短。如果它能从外界获得能量，就可以存在足够长的时间而升格为实粒子。设想，有一电场，作用在真空上。当一对正负电子在正空中出现时，它们就会被电场沿相反的方向分离。如果电场足够强，它们就会分离的足够远，以致于不能再相互碰撞和湮灭。这时的虚粒子就成为实粒子，这时的真空就被称为是极化的。但是，真空是不容易被极化的，需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒子出现。而产生极化所需的能量的形式并不重要，它们可以是电能，磁能，热能，引力能等。遇到的问题不确定性原理告诉我们，真空中到处存在着虚粒子的海洋。这种紧张的量子行为的虚粒子海洋同样也出现在黑洞事件视界周围的空间区域。不确定性定理说明，如果一个粒子的位置被确定，它的速度就会变得不确定。如果一个粒子落入黑洞，它的位置已经被确定（在奇点），所以它的速度就不确定，甚至超过光速而逃出视界。由于所有形式的能量都等价于质量，所以我们当然会想到引力能也会被自发地转变成粒子。霍金发现，对于微黑洞来说，量子真空会被它周围的强引力场所极化（这一点是至关重要的），在狄拉克海里，虚粒子对在不断产生和消失，一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间，于是就有四种可能性：两个伙伴重新相遇，并相互湮灭（过程I）；反粒子被黑洞捕获，而正粒子在外部世界显形（过程II）；正粒子被捕获而反粒子逃出（过程III）；双双落入黑洞（过程IV）。霍金计算了这些过程发生的几率，结果发现过程II最为常见。由于有倾向地捕获反粒子，黑洞自发地损失了能量，也就是损失了质量。由于微黑洞的尺度与基本粒子相当，能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离，其结果就是粒子逃出，在外部观测者看来，黑洞在蒸发，即发出粒子流。其实粒子并没有真的跳过视界“墙”，而是从一个由不确定性原理短暂地打通的“遂道”穿过。这样的过程反反复复在黑洞视界的周围发生，从而，形成一股不断的辐射流，黑洞发光了。霍金计算霍金的计算表明，黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。它赋予了黑洞一个真实的，在整个视界上同一的，直接由视界处的引力场强度来决定的温度。对史瓦西黑洞来说，温度与质量成反比。质量与太阳一样的黑洞，其温度是微不足道的，开氏（即绝对零度以上）十的负七次方度。不是零，但小的可怜；黑洞并不是完全的黑，但一点也不亮。很遗憾，这样低温的辐射实在太微弱了，是不可能在实验室中探测出来的。霍金的计算还有一个重要发现：黑洞的质量越小，温度越高，辐射也越强。显然，蒸发只有对微型黑洞来说才有特别的影响，而微型黑洞的温度是很高的。在黑洞中，质量越大的黑洞，温度越低，蒸发的越慢；质量越小的黑洞，温度越高，蒸发的也越快。对于微黑洞来说，温度非常之高，可达千万开甚至上亿开，随着蒸发的加剧，质量丢失的很快，温度会迅猛地上升，随着温度上升的加快，质量丢失的就更厉害，这中过程会以疯狂的形式演变，最终黑洞被摧毁，以猛烈的爆发而告终，所有粒子都得到了大赦（对巨型黑洞来说发射粒子的过程十分缓慢，相当于蒸发；而对微黑洞来说，发射粒子的过程十分迅猛，相当于爆发）。对于星系中心的巨型黑洞来说，其蒸发的过程将远远超出宇宙的年龄，假定宇宙有足够长的寿命，并且不回缩，那么这类黑洞最终也还是要蒸发掉。不过这类黑洞目前还是吸积远大于蒸发，以吸积为主。只有当宇宙后来的温度降到比这类黑洞的温度还低时，它们才开始以蒸发为主。然而这个过程太慢长了，等到它们开始蒸发，也将远远超出宇宙的年龄，而它们要蒸发完毕，大约要十的九十九次方年。

黑洞理论1975年，霍金创立了闻名世界的理论体系，让黑洞的概念家喻户晓。量子理论在原子的水平上对宇宙加以描述，推断出信息是从来不会丢失的。如今，霍金已修改了黑洞理论，认为黑洞是可以“重新开放”的，所吞噬的信息可以以另一种形式释放出来，就像我们生活中的燃烧一样，只是信息的转化而已。经过29年的思考，斯蒂芬·霍金表示、他以前对黑洞的看法是错误的。2004年7月14日，这位剑桥大学的著名物理学家正式发表了一篇论文，认为黑洞这种由星体残骸演化成的漩涡会保留被吞噬物体的痕迹、而且终将释放出少量被撕碎的物质。霍金激进的新理论颠覆了他30年来为了科学地解释黑洞悖论而进行的努力：被吸入黑洞的物体怎样才能真正消失，不留一点痕迹呢长期以来他一直是这样认为的，而亚原子理论认为物质的形式可以相互转换，但不可能完全消失。此前、霍金坚持认为、黑洞会摧毁其中所包含的一切微小信息，然后只是正常向外辐射能量。在第17届国际广义相对论和万有引力大会上，霍金提出了令人难以置信的新的计算结果，认为黑洞能够将吞噬的物质慢慢释放出来，而且吸收和释放的方式都只有一种。62岁的霍金说他不再相信20世纪80年代的理论、当时的理论认为黑洞可能可以通往另一个宇宙空间，这正好可以用来解释被黑洞吞噬的物质和能量去了哪里。霍金站在粒子物理学家一边、长期以来，粒子物理学家们坚持认为任何被黑洞吞噬的物质都不会凭空消失，最后必然以一种特殊的方式释放出来。霍金面对来自50个国家的大约800名物理学家和其他科学家发表了演讲，他说：（黑洞里）没有我曾设想过的子宇宙分支，物质信息仍然牢牢地保存在这个宇宙里。我很遗憾这让科幻迷们失望了，但如果物质信息被保存了，就不可能利用黑洞去别的宇宙空间旅行。如果跳进一个黑洞，物质能量将以一种被撕裂的形式返回到宇宙中、其中包含以前的信息，但是已经处于无法辨认的状态。霍金的新理论在物理学权威中激起了怀疑和困惑的浪潮。霍金在发表演讲时，其中的两位领军人物美国哥伦比亚大学的威廉·翁鲁和芝加哥大学的罗伯特·沃尔德不断耸肩摇头表示怀疑。黑洞专家沃尔德说：霍金完全改变了他自己以前的观点、霍金以前认为进入黑洞的一切都会被冲走。他相信从黑洞释放出的任何物质都能追溯到来源。他已经偏离了仍然坚信的理论。折叠编辑本段研究历史上世纪70年代，霍金提出的“黑洞热辐射”理论是20世纪最杰出的理论物理成就之一，但当时这一理论的一些观点受到了量子物理学者的质疑，科学家们认为被黑洞“吞掉”的物质的信息最终将会随黑洞一起消失，在量子物理的角度上是无法解释的。为此，30年来学术界一直存在着争论，此次霍金提出的新观点―――黑洞在某一时间，将会把它吞掉的信息释放出来，从表面上看弥补了他以前理论的缺陷，但是这也不足以肯定这一理论就是正确的。赵教授解释，物质所包含的信息并不像质量或能量一样具有守恒的性质，因此霍金此前的信息消失理论并不是完全无法接受的。从20世纪60年代到80年代，黑洞研究取得了重大进展。最初人们认为黑洞是一颗死亡了的星体，什么东西都可以掉进去，但任何东西都跑不出来。1974年霍金证明黑洞有温度、有辐射。霍金辐射的发现使黑洞和霍金本人都变得家喻户晓。20世纪80年代以后，黑洞研究的重点逐渐从温度转向信息佯谬。人们早已知道，黑洞外部观测者会失去形成黑洞以及后来落入黑洞的物质的几乎全部信息，这就是“无毛定理”。所谓“毛”是指“信息”。黑洞只剩下总质量、总电荷和总角动量3根“毛”可以被外界探知。人们最初认为，虽然外部观测者不能探知黑洞内部物质的信息，但这些信息并没有从宇宙中消失，只不过隐藏在了黑洞的内部。霍金辐射发现之后，人们知道黑洞中的物质最后将全部转化为热辐射，而热辐射几乎不带出任何信息。这样，形成和落入黑洞的物质的信息将从宇宙中消失，信息不再守恒，不仅重子数守恒、轻子数守恒等定律不再成立，量子论的幺正性也将受到破坏。面对如此严重的理论困难，物理学家展开了激烈的争论。理论物理学家大都相信信息守恒，坚信幺正性这一量子论的基石不会被破坏。总之，信息应该守恒。以霍金和索恩为代表的相对论专家则认为信息不一定守恒，幺正性完全有可能被破坏。为此，霍金和索恩与坚信信息守恒的普瑞斯基打赌。"这种理论从诞生之初就遇到了麻烦:它同很多科学家坚持的"信息守恒定律"互为矛盾.这一度被人们称为"黑洞悖论".如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立,那么"信息守恒定律"无疑将成为科学界最为重要的定律,也许比物质,能量守恒定律的意义更为深远.霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是"信息"在黑洞中是否能够保存,守恒."折叠编辑本段理论产生所谓黑洞，是时空的一个区域，这个区域内的引力非常强大，以至于任何东西，甚至光都不能从中逃逸出来。长期以来，科学家们认为黑洞会吞噬一切。但1974年，霍金提出，黑洞一旦形成，就会“蒸发”辐射出能量，同时损失质量，这种辐射亦称为“霍金辐射”。霍金这一理论是黑洞研究中的一个重大进展。但与此同时，他又制造出了一个新的难题。霍金在1976年的另一篇论文中对此做出阐述：黑洞辐射并不含有任何黑洞内部的信息，在黑洞损失殆尽之后，所有信息都会丢失。而根据量子力学的定律，信息是不可能被彻底抹掉的，霍金的说法产生了矛盾，这就是“黑洞信息悖论”。当时霍金辩称，黑洞的引力场过于强大，量子力学的定律并不适用，但他这种解释并不令学术界感到信服。哈佛大学物理学家施特勒明格就直言“我并不相信霍金1976年的理论，尽管我不知道他的计算到底错在哪里”。折叠编辑本段理论推翻霍金悖论 霍金自己推翻自己的理论1976年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。近30年来，霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点。霍金曾表示，黑洞中量子运动是一种特殊情况，由于黑洞中的引力非常强烈，量子力学在此时已经不再适用了。但是霍金的这种说法并没有得到科学界众多持怀疑态度学者的信服。如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。这一重大研究成果还没有公开以论文的形式发表，已经在学术界引起了轩然大波。霍金在剑桥大学的同事、著名的物理理论学家马尔科姆·佩里博士表示，“霍金在这次研讨会上提出的观点也许是一种可行的解决方案。但是具体是否能得到最终认可，我看还需要由大家说了算。”但他认为，霍金最新的研究成果将可以和30年前发表的“霍金辐射”相媲美。物理学家科特·卡特勒在接受《新科学家》杂志的访问时说：“霍金发出了一个信息，他似乎在说‘我已经解决了黑洞理论中的矛盾之处，我想就此发表一些新的看法’。但是我们作为该信息的接受者，预先却并没有看到任何有关的书面阐述。作为对霍金本人的尊重，根据他的名誉，我只能暂且先接受这种说法。”。2004年7月21日，在爱尔兰的都柏林举行“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上，英国传奇科学家斯蒂芬·霍金教授宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果，霍金的态度来了个180度转弯，表示自己原来的观点错了，信息应该守恒：黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样，对其周遭的一切“完全吞食”，事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息可能会在某个时候释放出来：信息守恒。原因是先前把黑洞想得太理想化了，把黑洞热辐射也想得太理想化了。不过，霍金一直没有给出严格的证明来支持自己的新观点。索恩表示此事不能由霍金一个人说了算，他仍坚持信息不守恒的看法。普瑞斯基则表示没有听懂霍金的演讲，不明白自己为什么赢了。这一牵扯到量子论基础的敏感问题还远未解决。黑洞不是一颗死亡了的星体,它具有丰富的内涵。黑洞的霍金辐射理论表明,黑洞不仅具有一般的力学性质,而且具有量子性质和热性质。如果黑洞的辐射谱为严格的黑体谱,则黑洞辐射过程中信息丢失。Parikh和Wilczek认为,黑洞的霍金辐射的确可以看成是一种量子效应,但辐射粒子贯穿的势垒不是预先存在的,而是由出射粒子自身产生的。他们的研究结果支持信息守恒。黑洞理论的研究已经超出了黑洞本身，它不仅通过信息疑难触及了量子论的重要基石——幺正性，而且掀开了探讨时间性质的新篇章。黑洞内部有一个奇点，那是时间终结的地方。大爆炸宇宙有一个初始奇点，那是时间开始的地方。彭若斯和霍金曾经证明过一个“奇性定理”，该定理表明，任何一个真实的时空都一定存在奇点，即一定存在时间有开始或终结的过程。时间有没有开始和结束，原本是哲学家和神学家议论的话题，经过对黑洞和宇宙的研究，这一话题被纳入了物理学的领域。宇宙学家相信，太空中有许多类型的黑洞，从质量相当于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超级黑洞，不一而足。科学家过去认为，从巨大的星体到星际尘埃等，一旦掉进去，就再不能逃出，就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究，他发现，一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移，慢慢地从黑洞中“流淌”出来。霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点，他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去，黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量，而现在的最新研究表明，黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。2016年1月，斯蒂芬·霍金等人提出了新解释：落入黑洞的粒子的信息部分被位于视界线（黑洞边界）的粒子组成的“柔软毛发”所“俘虏”，这些信息并没有消失，但很难还原和破解。相关研究发表在arXiv上。[1]