年才完全蒸發掉,而它在最後幾1秒裡釋放的能量相當於100萬顆百萬噸級的氫彈。
黑洞蒸發的最後結果尚不得而知。也許有人認為視界消失後將留下一個裸露的中心奇點,但是這種經典的看法很可能是錯的。當黑洞半徑縮減到普朗克長度(10”厘米)的量級時,時空幾何自身的量子漲落變得重要起來,只有量子引力理論才能揭示微型黑洞的最後命運。如果它由輻射自己的質量而完全蒸發掉,應該說時空就會成為平直。量子引力是認識大爆炸和黑洞命運,即認識宇宙的開端和終結的必由之路。
引力不穩定性
一個通常的熱力學系統處在一種較冷的介質中時會損失能量。它的溫度降低而介質的溫度升高,直到實現平衡為止,我們說這個系統有正比熱。量子黑洞的行為則正相反,它失去能量時溫度升高,反之亦然。如果周圍介質的溫度較高,黑洞就總是傾向於吸收能量,增大尺度,因而冷卻,直至所有可得到的能量都已被吸收為止。反過來,如果介質溫度較低,它就輻射,減小尺度,直至蒸發和消散掉自己所有的能量為止。這就是說,黑洞有著負比熱,因而它根本上是不穩定的。
所有自引力系統,即其平衡只依賴於引力的系統,不論是量子系統與否,都是不穩定的。例如,在圍繞地球軌道上的人造衛星會由於大氣摩擦而損失引力能,因而沿螺旋線緩慢地朝地球下落。在這個過程中其速度和動能是增大的,所以它不能獲得~個穩定軌道,最後只能墜落到地球上。
引力坍縮則是極端的例子。在自身重力作用下,一個恆星或恆星團這樣的粒子系統輻射掉引力束縛能,不斷收縮,溫度變得越來越高。如果沒有相反的力存在,奇點將不可避免地形成,達到平衡態是不可能的。微型黑洞的蒸發只不過是一種反方向上的引力坍縮,這可以由圖55的時空圖來證實。由於物質在離開視界,一個蒸發著的微型黑洞的“瞬時”狀態就像一個白洞。因此,量子力學為黑洞提供了作為引力普遍特徵的不穩定性。
更進一步,引力與熱力學之間的聯絡可能是比黑洞廣闊得多的自然領域的普遍特徵。在黑洞的熱力學轉變過程中實際上起關鍵作用的是視界,而視界可以有著與黑洞毫不相干的意義。在狹義相對論的無引力平直時空裡,一個具有恆定加速度的觀測者不可能“經典地”獲得來自一個遙遠時空區域的資訊,只是因為那個區域發出的輻射不能到達,對他來說那部分時空就隱藏在一個視界之後。如果考慮真空中的量子漲落,就可以得出加速(等效於一個均勻引力場)會使真空極化。如果那個觀測者帶有一個位於探測器,他將測量到一種黑體輻射形式的“鼻子噪聲”,黑體的溫度正比於他的加速度。在宇宙學裡,膨脹宇宙模型也有視界,因而也有一個相聯絡的黑體溫度(極低,不要與作為大爆炸遺蹟的宇宙背景溫度開氏27度相混淆)。
黑洞熱力學已經把我們從蒸汽機帶出很遠了。
上帝耍人
基本粒子透過核力和電磁力而相互作用,這些作用服從已由實驗驗證的一定規則,正是這些規則使得科學家能夠建立起一致的清楚的物理理論。規則中有一條是重子數守恆。簡單說來,它是指在所有的基本相互作用中,必須保持粒子和反粒子的相稱,所以一個光子(重子數為0)可以轉變成一箇中子(重子數為十l)和一個反中子(重子數為一1)組成的對,因為總的重子數保持為零。但是一箇中子決不能轉變成一對光子。另一個稱為輕子的粒子家族,包括電子、U介子和中微於,也遵守一條相似的規則,這些粒子每個都有一個輕子數,在基本相互作用中總輕子數必須守恆。
粒子物理的這些基本規則被量子黑洞滿不在乎地破壞了。我們已經看到黑洞在形成或吞噬物質時會“失去毛髮”:所有關於粒子的資訊在它們透過視界時全都喪失了。尤其是,一個由重於(例如大質量恆星中心的質子和中子)形成的黑洞並不記得它的重子數,它跟由反重子形成的黑洞完全一樣,我們不可能看出有什麼差異。且再耐心等等,在一定時間後黑洞會開始按照霍金機制而輻射,釋放能量和摘。黑洞像黑體那樣輻射這一事實,意味著它只能發射出相等數目的重子和反重子,或等數目的輕子和反輕子。也就是說,由蒸發的黑洞出來的淨重子數總是為零。黑洞的蒸發破壞了重子數和輕子數守恆的規則。
這個驚人的性質表明,由黑洞蒸發所釋放到外部介質的資訊在透過視界時會“降級”。這種退化給離開黑洞的物質和輻射打上一個“熱印記”,使得資料隨機化。正因為此,霍金認為測