宇宙可能比预期更早地走向死亡

天体物理学家表示,“霍金辐射”可能会大大缩短现实的寿命。
Artistic impression of a neutron star that is 'evaporating' slowly via Hawking-like radiation. Credit: Daniëlle Futselaar/artsource.nl
一颗正在通过类似霍金辐射缓慢“蒸发”的中子星的艺术想象图。来源:Daniëlle Futselaar / artsource.nl

没有什么永恒——即使是宇宙本身。至少,根据目前的物理学模型,我们对存在的本质是这样理解的。对人类来说,幸运的是,大多数天体物理学家的估计并没有将宇宙的盛大落幕安排在 10¹¹⁰⁰ 年左右(那是一个 1 后面跟着 1100 个零)。然而,基于包含某些黑洞粒子奇异特性的新计算,宇宙的落幕可能会比预期的要早得多——从宇宙学的角度来说。

根据一项计划发表在《宇宙学与粒子天体物理学杂志》上的研究,最后一个恒星残骸的衰变将只需要另外 10⁷⁸ 年(那是一个 1 后面跟着 78 个零)。导致这个生命周期被大幅修正的原因是什么?是斯蒂芬·霍金。嗯,不是霍金本人——而是以他命名的那些粒子。

1975 年,这位著名天体物理学家提出了一个理论,认为有些东西实际上可以逃脱黑洞看似无法逃脱的引力束缚,尽管这与爱因斯坦的相对论的规则相悖。根据霍金的计算,某些幸运的逃逸粒子可以避免“单程票”进入奇点,这要归功于在黑洞边缘可能发生的一种奇怪现象。在那里,一对短暂形成的粒子会在所有混乱的能量漩涡中产生。但在它们合并之前,一个粒子会被抛入黑洞,而另一个则被抛向外部。

由此产生的“霍金辐射”意味着,与爱因斯坦认为黑洞只能增长而不能缩小的观点相反,这种几乎难以察觉的粒子交换实际上会导致时空这个宇宙的枢纽(非常)缓慢地衰减。

Researchers calculated from ten different objects how long the 'evaporation' via Hawking-like radiation takes in an ideal environment without other influences. White dwarf stars dissolve in about 10^78 years. The human body, if only Hawking-like radiation is involved, decays in 10^90 years. Credit: Falcke, Wondrak and Van Suijlekom
研究人员在理想环境中,不考虑其他影响的情况下,根据十个不同的物体计算了通过类似霍金辐射的“蒸发”需要多长时间。白矮星大约在 10⁷⁸ 年内消散。如果只考虑类似霍金辐射,人体将在 10⁹⁰ 年内衰减。来源:Falcke, Wondrak and Van Suijlekom

在 2023 年的一篇论文中,荷兰拉德堡德大学的研究人员探讨了黑洞蒸发的概念,以及它对其他具有引力场的物体的影响,例如白矮星中子星。此后,该团队接到了来自世界各地关于霍金辐射可能对宇宙产生的各种影响的提问。他们推测,其中一个最明显的后果将在白矮星中显现,因为白矮星是已知存在的最持久的星际物体之一。

之前的研究在计算中未考虑霍金辐射,将白矮星的寿命定为 10¹¹⁰⁰ 年。这项新的修订计算,仅考虑霍金辐射,将宇宙的灭亡时间提前到了 10⁷⁸ 年。

“幸运的是,这仍然需要很长很长的时间,”首席作者 Heino Falcke 在一份声明中说。

霍金辐射似乎也对其他宇宙天体产生了惊人的影响。根据他们的新估计,中子星和恒星级黑洞的衰变时间大致相同:10⁶⁷ 年。乍一看这似乎说不通,因为黑洞的引力场要强得多,理论上它们应该消失得更快。

“但是黑洞没有表面,”研究合作者 Michael Wondrak 解释说。“它们会重新吸收一部分自身的辐射,从而阻碍了这个过程。”

为了“好玩”(就像物理学一样,“好玩”是相对的),团队还决定看看人类由于霍金辐射衰减而“蒸发”需要多长时间。毕竟,我们有质量,因此具有微弱的引力。如果不考虑其他外部因素——比如太阳变成超新星或生物腐烂——你所有的粒子要经过 10⁹⁰ 年才会脱落。从这个意义上说,你至少比宇宙活得长。

 

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Andrew Paul

特约撰稿人

Andrew Paul 是 Popular Science 的特约撰稿人。


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