霍金輻射

但這並不意味著黑洞將永遠存在；相反，由於霍金輻射現象，黑洞會慢慢衰變。在視界之外的空間曲率越強，黑洞衰減越快。基於我們宇宙中存在的黑洞，妳可能會想，到底有多少黑洞差不多已經衰變沒了，或有多少黑洞正在衰變。時隔138億年，令人驚訝的答案是零。

據我們所知，宇宙最初創造黑洞的方式只有三種。這三種創造黑洞方式如下：

眾所周知，所有這三種情況都會發生，並告訴我們宇宙中存在哪些類型的黑洞。

黑洞的低端閾值似乎在2.5太陽質量附近。 如果天體質量低於該閾值，則個別超新星或合並只會導致形成中子星； 單個粒子產生的壓力足夠強大，足以支撐該物體以防止引力坍塌。 但是，如果天體超過了中子星的最大質量（如果它不旋轉，則其質量為2.5太陽質量，對於最快旋轉的中子星，其質量不超過2.75太陽質量），該天體將不可避免地形成黑洞。

但也很容易形成更大、更重的黑洞。更多的大質量恒星產生更多的大質量黑洞。黑洞合並在壹起，吸收並吸積物質和能量。任何穿過視界的物體都會被加到它的總質量中。到目前為止，黑洞的質量已經達到了太陽質量的數百億倍，並發現了大量的這樣黑洞。

每個黑洞周圍都有壹個視界：壹個任何東西，甚至光，都無法逃逸的區域。任何越過視界邊界的物體，不管它有沒有質量，最終都會遇到黑洞的中心奇點，從而增加黑洞的總能量。然而，如果黑洞的質量或能量增加，那麽視界的物理尺寸也會增加。

這是關於所有黑洞的壹個玄奧的事實：它們擁有的質量（或能量）越多，其視界的物理尺寸就越大。質量加倍，視界半徑加倍。壹個60億太陽質量的黑洞的事件視界比壹個只有6個太陽質量的黑洞大10億倍。實際上，之所以能夠直接對黑洞的事件視界成像，是因為我們恰好有壹個巨大的超大質量黑洞位於5000萬光年之外。

但黑洞更為深遠的是，它們不斷地發出輻射，導致它們慢慢地失去質量並蒸發。其基本原理是，即使在完全空的空間中，即使沒有物質或能量存在，量子場也總是存在。事實上，我們在這個宇宙中擁有基本力和相互作用，這意味著支配它們的領域無處不在。“空空間”（或真空狀態）解決方案是允許這些場擁有的最低能量狀態。

但是所有這些計算都是在平坦、無扭曲的空間中完成的。 如果空間是扭曲的，特別是如果扭曲得非常強烈（例如在黑洞的事件視界附近），則場的最低能量狀態將不同於平面空間解決方案。通過計算扭曲空間（靠近黑洞）和平坦空間（遠離黑洞）之間的那些重要差異來發現霍金輻射。

我們從霍金輻射中學到的東西非常重要。它告訴我們：

這可能是壹個違反直覺的結果，但由於較大、質量更大的黑洞具有更大的視界，霍金輻射的速率對於質量最低的黑洞來說是最快、能量最高的。換句話說，最小、質量最低的黑洞是蒸發最快的黑洞。如果我們想知道最快的黑洞衰變的速度，我們需要看看我們能產生的最小質量黑洞：2.5個太陽質量。

當然，這些黑洞不僅僅是孤立地存在於宇宙的其他地方。它們和其他任何東西壹樣，都有可能遭遇到外面的壹切：恒星、行星、氣體、塵埃、等離子體、天體、暗物質、輻射等等。即使妳想象到了最極端的情況——星系間空間深處的壹個黑洞，其周圍沒有物質，它仍將有兩個主要源與之抗衡輻射：星光和大爆炸的殘余輝光。

宇宙中大約有萬億個星系，平均每個星系包含數千億顆恒星，以星光的形式在宇宙中加速的總能量是巨大的：每立方米空間大約有800萬電子伏特的能量。但是大爆炸的余輝——宇宙微波背景，其產生的能量比這還要大30倍。

這意味著，我們必須比較兩種速率，才能知道黑洞是在隨著時間的推移而主動衰變（失去的能量大於獲得的能量）還是在增長（獲得的能量大於失去的能量）。宇宙能產生的最小質量黑洞所發射的霍金輻射是質量和能量的最大損失率，而黑洞從星光和宇宙微波背景吸收的能量是質量和能量的最小增益率。

那麽，當我們做這些計算時會得到什麽呢？

換言之，它甚至都不接近。來自宇宙微波背景的單個光子平均攜帶的能量，是真實黑洞每秒發射的霍金輻射的100萬倍。假設壹個2.5太陽質量的黑洞每秒吸收10^25個光子，很明顯宇宙中的每個黑洞都在增長，而不是衰變。如果想讓黑洞更快地衰變，妳有兩個選擇：

如果有壹個黑洞，它的質量只有水星的質量，它的霍金輻射率將足夠大，足以平衡吸收的輻射，但最小的黑洞的質量仍然是水星的1400萬倍。如果等到宇宙誕生到大約10^20年，來自吸收的星光和宇宙微波背景輻射的能量將最終下降到霍金輻射所發射的能量以下，但這要等到宇宙是現在的100億倍時才會發生。

盡管自霍金首次發現黑洞確實發出輻射以及發出的輻射看起來已經過去了45年多，但對於我們來說，它實在是太微弱和稀疏，以至於無法檢測到它。除非有壹個質量很低的黑洞，或者我們願意等待壹個巨大的宇宙時間讓宇宙冷卻，否則我們永遠看不到它。黑洞在增長，而不是衰變，這就是天體物理學告訴我們確切的原因。

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