宇宙中最激烈的蒸发什么样
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本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。也许你对物理一点兴趣都没有，但你一定知道什么是蒸发。浩瀚的海洋、波光粼粼的湖水、我们身边温热的茶杯、甚至是你的身体表面，都在进行着水从液态变成气态的现象，这就是蒸发。常见的蒸发都是很安静很温柔的，然而宇宙中有一种迄今为止最激烈的蒸发，科学家们说，就像最初的宇宙大爆炸，这究竟是怎么回事呢？
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为了回答这个问题，不得不首先介绍一种特殊的天体——黑洞。黑洞是天体演化的一个阶段，当大质量恒星耗尽其核能时，就没有东西可以继续维持其向外的压力，恒星就开始在自身引力的作用下塌缩。随着塌缩，恒星表面上的引力越来越强，逃逸速度就会增加。当恒星的半径与其剩余质量满足r≤2GM/c^2时，其逃逸速度就增加到光速。这意味着，从这颗恒星发射出来的光都不可能逃逸到无穷远，只能在跑到边缘时再被引力场给拉回去。这种天体，就是黑洞。因为按照狭义相对论，没有东西能比光跑得更快，光都跑不出来，所以其它物质更跑不出来。早期科学家们就是这么认为的，黑洞就像饕餮一样，只吃不拉。
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这种认识在1972年发生了变化，原来黑洞也能“吐”出粒子1972年，雅各布·柏肯斯坦在读研究生的时候提出了一个定理，由引力塌缩形成的黑洞，这个黑洞会迅速地趋向于一种稳定状态，这个状态只由三个参数来确定：质量、角动量和电荷。这就是著名的黑洞无毛定理。物理学家们把这三个量的对数定义为黑洞的“熵”。我们都知道，黑洞再大，这三个数再大，也不是无限的，是个有限值，这意味着黑洞应具有有限的温度，这个温度与它的表面引力成正比。我们都知道，只要时间足够长，一个物体一定会与周围的环境形成热平衡状态，黑洞也是如此。这与前面从理论中预计的黑洞只吃不拉相矛盾。
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解决这个问题的人，是霍金。霍金从量子力学出发，用数学方法证明了黑洞能产生热辐射。也就是说在黑洞的视界附近的空间中充满了“虚的”粒子与反粒子对，这些粒子对不断地产生、分离，然后又聚到一起湮灭。这种情况可能吗？兰姆位移实验支持霍金的猜测在1947年，Lamb和Retherford用射频波谱的方法发现氢原子的2S（1/2）和2P（1/2）能级并不是吻合，而是存在着一个能级差，这个就是著名的兰姆移位（Lamb shift）。实验显示氢原子和类氢离子能级不完全精确符合量子力学理论计算结果的重要实验事实。
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这意味着，在黑洞视界附近发生着这样的事情，虚粒子对中的一个粒子可以落到黑洞中去，留下来的另一个粒子就失去了可以与之相湮灭的对象。这个留下来的粒子或者反粒子，即可以落入到黑洞中，也可以逃逸到距离黑洞无限远的地方。从观察者的角度看，这个粒子就是黑洞发出的辐射，科学家们也把这个过程叫做黑洞的蒸发。
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黑洞蒸发的激烈程度是什么样子呢？可以想象的是，质量越大的黑洞，粒子逃逸的困难就越大，那些小的黑洞更容易有粒子跑出来。如果有一个质量为10亿吨的黑洞，其大小大约与一个质子的大小差不多，这样的黑洞可以具有大约1200亿开的温度，相当于1000万电子伏特的能量。这种黑洞会释放出正负电子对、光子、中微子等零质量粒子，其发射的功率大致与6个核电站的输出差不多。随着黑洞发射出粒子，其质量和尺度进一步缩小，这样就会有更多的粒子跑出来，黑洞的蒸发就是这样得以持续不断增加地继续下去，直到黑洞完全蒸发殆尽。
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大质量的黑洞蒸发的速度却非常慢，如果有一个太阳质量的黑洞，它完全蒸发掉的时间需要10^66年。宇宙中那些小黑洞是最快蒸发完的，科学家们通过计算发现，在37亿年前，宇宙大爆炸中产生的那些小黑洞就已经蒸发干净了。由于黑洞的蒸发是逐渐加快的，所以在黑洞生命的最后时刻，会以一种极其猛烈的爆炸的方式来结束。这个爆炸的激烈程度，取决于有多少不同种类的基本粒子。如果目前高能物理学家的理论是正确的，那么黑洞最后那一刻的爆炸所释放的能量相当于10^7颗百万吨级氢弹爆炸的当量。
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