为什么黑洞外的时空是普通时空,不允许实的负能粒子或负能反粒子存在,霍金辐射只能辐射出正能粒子?

2025-02-24 02:43:39
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回答1:

  首先,请明白:霍金辐射涉及量子力学,而量子力学本身就是一个至今未能完全理解的谜(包括爱因斯坦、玻尔、费曼等顶级物理学家都持类似观点),所以,不能指望一清二楚地理解你的问题。
  其次,请注意:在现实世界中,从未有过实的负能粒子或负能反粒子的任何观测信息,也没有关于负能粒子的结构及其相互作用的详细的理论分析(粗略的猜测不算)。而实的正能粒子(反粒子)则不论在理论上还是在实践上都有极其丰富的相关信息。因此,至少就目前而言,实的负能粒子或负能反粒子都不是一个科学的概念——它没有实践与理论上的细致描述。除非今后有了足够量的相关描述,否则,这一概念(实的负能粒子或负能反粒子)就不会进入主流科学界的视野。就像UFO等概念那样,科学界基本不予理会。显然,负能粒子的概念源于量子力学的“虚粒子”概念。而量子力学的核心之一的测不准原理拒绝描述虚粒子的诸多细节——不能指望量子力学能告诉你生存一小段时间的负能的虚粒子到底是个什么东西。
  第三,不妨重新理解真空如下:通常认为真空能量为零,这仅仅意味着我们无法借助通常理论能给出的物理过程从真空中提取出能量(否则就直接违反能量守恒定律了!顺便说一下:测不准原理却意味着小的时空区域中的能量动量没有严格意义上的守恒),但这不能排除如下可能性——真空中宏观上极均匀地分布着某种未知的、特殊的物质或曰能量(类似于或等价于“暗能量”“非零宇宙学常数”等),这些高度弥散的奇异物质在微观小区域上的密度会在该物质整体平均密度的附近涨落,涨落的幅度与其时空范围的大小成反比,即遵从测不准原理;某区域的负涨落,使得该区域的密度低于平均密度,这就对应于通常所说的“负能虚粒子”;反之,正能虚粒子对应的就是密度高于真空平均密度的正涨落区域(以下简称“正区”);正区与负区(即负涨落区域)间因类似于量子纠缠一类的量子作用而相互制约,即都驱使对方恢复到真空平均密度;正区的高密度高到一定程度、且维持足够长时间的状况,就对应着实的正能粒子(含正能反粒子,以下不再特别指出这一点)的产生;负区因密度较平均值更低,使其比普通真空更加远离诞生实的粒子的可能。
  第四,可以从不同角度来理解霍金辐射:
  1)虚粒子的角度。普通时空的真空中,正负区(亦即正负能虚粒子)间的基于量子作用的相互制约,使得没有实的粒子可以凭空出现。黑洞之奇点是物质(能量)密度趋于无穷大的特殊区域;一旦正负区对中的负区与奇点相遇,奇点中极度过剩的物质密度就可以对负区的低密度有所“填补”,于是负区“消失”(也可以理解为奇点的无穷引力使得负区再也无法逃脱),剩下的还在视界之外的正区就可不再被负区制约,从而成为实的正能粒子发射出去(以上称为“第一过程”);(以下为第二过程)正负区对中的正区与奇点相遇也会发生类似的情况,即正区消失,但黑洞外的负区则会“吞掉”第一过程中产生的实粒子(即落单了的别的对的正区),使得上述两过程似乎相互抵消了;但需要特别注意的是,奇点“填补”负区比它填补正区更容易,因而也就更快捷,所以,第一过程发生的速率快于第二过程,因此,总的来说,黑洞还是在向外发射实粒子。另有一点需注意:黑洞的强大的潮汐力对于正负区的分离大有裨益,这加速了实粒子的发射。
  2)隧道效应(http://baike.baidu.com/subview/695096/16483822.htm)的角度。奇点中的部分物质“隧道穿越”过经典屏障(即黑洞的超强引力迫使视界以内一切物质都不能向外逃逸的经典理论描述)而向外辐射。使用实践中已有不少实际应用(如:扫描隧道显微镜(http://baike.baidu.com/view/381283.htm))的隧道效应来理解霍金辐射,或许是最简便直观的方式了。
  最后,请认识到:物理学大厦远未建成(恐怕也永无完全建成之日),尚有无限未知有待探明。另外,数学才是物理的标准描述语言,欲知详情细节,非数学不可;单从日常语言,不可能领悟物理之精髓。我本人就是数学不够好,难以深入理解物理,实为平生憾事。上述解说中含有一些个人的猜测,主要是第三点。