宇宙探索·霍金辐射——黑洞并非永恒，它也会慢慢"蒸发"
宇宙探索·霍金辐射——黑洞并非永恒，它也会慢慢"蒸发"
连光都逃不出的黑洞，凭什么能"辐射"？
在经典物理学中，黑洞是宇宙中最极端的天体——它的引力大到连光都无法逃脱。
一旦越过事件视界，任何物质和信息都将永远被困其中。
然而在1974年，年仅32岁的斯蒂芬·霍金提出了一个令整个物理学界震惊的理论：黑洞并非完全"黑"的，它会持续不断地释放粒子，这个现象被称为"霍金辐射"。
这个理论的精妙之处在于它巧妙地结合了广义相对论和量子力学——这两大物理学支柱此前一直水火不容。
霍金发现，在事件视界附近，量子力学中的真空涨落会产生虚粒子对。
正常情况下，这些粒子对会瞬间湮灭；但在事件视界边缘，一个粒子可能坠入黑洞，另一个则逃逸到外部空间。
对外部观察者而言，黑洞就像在"发光"。
关键认知：霍金辐射的温度与黑洞质量成反比——黑洞越大、温度越低。
一个太阳质量的黑洞温度仅为60纳开尔文，比宇宙微波背景辐射的2.7开尔文还要低得多。
这意味着在当前的宇宙中，大质量黑洞吸收的热量远多于它通过霍金辐射释放的热量，所以它们实际上在"生长"而非蒸发。
黑洞蒸发的终极命运
当黑洞不断辐射、质量不断减少时，它的温度反而会越来越高，辐射速度也随之加快，形成一个不可逆的正反馈循环。
当黑洞质量减小到约10¹²千克时（大致相当于一座小山的质量），它的温度将飙升至10¹²开尔文，辐射功率达到万亿瓦级别。
在最后的瞬间，黑洞将以一场极其猛烈的爆发结束自己的生命——这被称为"黑洞终末爆发"。
理论计算表明，一个太阳质量的黑洞完全蒸发需要大约10⁶⁷年——这远远超出了当前宇宙138亿年的年龄。
但对于宇宙大爆炸时期可能形成的微型原初黑洞来说，它们的质量足够小，以至于有些可能正在我们这个时代蒸发殆尽。
科学家们正在通过伽马射线天文卫星搜寻这类原初黑洞蒸发产生的特征信号。
未解之谜——信息悖论：霍金辐射最初被认为是完全"热"的（即不含任何信息）。
但如果信息随黑洞一起消失了，这就违反了量子力学的基本原则。
这个"黑洞信息悖论"困扰了物理学界近半个世纪。
近年来，通过全息原理和量子纠缠的研究，科学家们逐渐倾向于认为信息确实会以某种方式被编码在霍金辐射中——但完整的理论框架仍未建立。
实验室里的"模拟黑洞"
2019年，以色列理工学院的研究团队在实验室中首次直接观测到了霍金辐射的类比现象。
他们利用量子模拟器创建了一个"声学黑洞"——在超流体氦-3中制造一个流速超过声速的区域，模拟事件视界对声波的影响。
实验中确实观测到了声子对从"声学视界"逃逸的现象，与霍金的理论预测高度吻合。
这类模拟实验虽然不是真正的引力黑洞，但它们为理解弯曲时空中的量子场论提供了宝贵的实验数据。
结合引力波探测（LIGO/Virgo）和事件视界望远镜（EHT）拍摄的黑洞照片，人类正在以前所未有的精度逼近黑洞的奥秘。
霍金辐射不仅是理论物理的巅峰成就，更是连接量子世界和引力世界的桥梁。
互动话题
如果微型原初黑洞在我们附近蒸发殆尽，你认为最可能被探测到的方式是什么？
A. 伽马射线暴——瞬间释放的极高能辐射
B. 引力波信号——蒸发过程中时空的微小涟漪
C. 高能粒子喷射——正反物质对的剧烈喷发
D. 暗物质残余——蒸发后留下的未知物质痕迹
参考信息来源
• Stephen Hawking, "Particle Creation by Black Holes" (1974), Communications in Mathematical Physics
• 《时间简史》——斯蒂芬·霍金，湖南科学技术出版社
• Jeff Steinhauer, "Observation of thermal Hawking radiation and its temperature in an analogue black hole" (2019), Nature Physics
• NASA黑洞探索专题: https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/black-holes.html
量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗
热力学第二定律，也许是物理里最根本的几条原理之一。它说，一个系统的熵只会随时间增加，不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵，说白了就是无序的程度：熵越低，结构越有序；熵越高，越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉，背后都是熵在增加。
人们相信，宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态，一路演化到高熵。
可就在这个过程中，宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低，却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾，正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织，是比安科尼理论的视觉主题（图片来源：Physics World） 在爱因斯坦的广义相对论里，有个叫"度规"的数学对象，描述时空是怎么弯曲的；物质沿着这条弯曲走，就表现成了引力。
而在量子力学里，"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步，就是把这个"度规"当成量子算符来用，用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来，会冒出两个"度规"：一个是"真实"的时空度规，一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少"，用量子信息论里的一个量来度量，叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵，决定了时空怎么演化——换句话说，它给出的运动方程，就是引力。
在低曲率极限下，这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限，方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项，而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西；在标准广义相对论里，它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项，就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似，假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质，或辐射。
宇宙膨胀时，体积变大，总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快，单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨，局部熵密度却在降，这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律？比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵：要把熵密度在整个时空区域上积分，而因为体积随时间变大，总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙，总熵依然随时间增加，第二定律照样成立，尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调，GfE 理论还很年轻，需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质，为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述，也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力，也许并不是什么神秘的基本力，而只是信息与熵的必然结果。
若真如此，宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命，答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源：S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究：G. Bianconi, Physical Review D.
追踪13.4万亿个暗物质！百亿亿次超算用4天完成这场模拟
科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称，该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机，完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀，并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图；右图外圈显示宇宙微波背景辐射，扇区分别展示视线速度（红/蓝）、物质密度（灰）和引力势（绿/蓝）。
图片来源： 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为，极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度，留下微小的密度差异；随后，引力把这些差异不断放大，最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而，暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布，有望找到更多线索，探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见，却凭借引力主导星系形成，并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中，暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”，团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测，早期宇宙的密度涨落服从高斯分布，也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差，即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差，就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程，从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而，这类信号极其微弱，还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积，统计不确定性难以完全消除。
因此，探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成，目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目，包括美国能源部支持的暗能量光谱仪（DESI）和NASA的SPHEREx任务，两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证，将共同描绘出更为精细的宇宙图景，推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源：科技日报
