作为基本粒子之一,
电
子的
最
典
型的
属性包括
质
量、
电荷和自旋角动量,这些量都已被实验
精确地测定,且与物理理
论的
计算结果
符
合得非常好。
对于它的大小,根据实验,电子的半径的上限只有10
-22
m,这是一个非常小的值。
一般倾向于认为电子是一个点粒子,也就是没有大小。
而说起黑洞,作为一种致密天体,根
据黑洞的无毛定理(
black hole no-hair theorem
),它的基本属性与电子类似,由质量、电荷和自转
角
动量描述。
另外,根据广义
相对论
,黑
洞的质量集中在它的
中
心的一个点,这个点叫奇点,它是一个没有大小的点。
对比电子和黑洞,虽然一个是基本粒子,一个是宇宙中的天体,但它俩看起来的确有点像呢!
这
难免让人
猜想,
电子有没
可能是一个微小的黑洞呢?
这种问题很难综合考虑,本文通过估算电子的寿命来尝试回答这一问题,以抛砖引玉石&轻拍。
我们都知道,地球的第二宇宙速度,也就是逃逸速度(escape velocity)为
其中
为万有引力常量,
和
分别为地球质量和半径。
对于黑洞,如上图所示,
它的视界上的光刚好能逃离出来。
这决定了它的视界半径,也就是施瓦西半径
满足关系式
其中
是光速,
为黑洞质量。
根据斯蒂芬·霍金的理论,黑洞并不是只进不出,它还会发出辐射,即所谓霍金辐射
(Hawking radiation)。
根据
安鲁效应(Unruh effect),黑洞辐射温度
与黑洞视界上的重力加速度
的关系为
其中
,
为普朗克常数。
为玻尔兹曼常数。
诸君都很熟悉
与
的关系,即
联合式(1)、(2)和(3)得
按照相对论质能关系,黑洞的能量应为
由于霍金辐射,能量和质量都会减少,上式两边求时间导数得
根据斯忒藩-玻尔兹曼定律(
Stefan-Boltzmann law),将黑洞的辐射看作平衡态的黑体辐射,则黑洞的单位表面积在单位时间内的辐射能为
其中
斯忒藩
-玻尔兹曼常数
。
将黑洞视界看作球形,则黑洞表面单位时间内辐射的能量为
联立式(4),(5)和(6)得
代入系数
的值到式(7)得
设黑洞初始质量为
,蒸发
完所需时间
为
,则
即
故得黑洞蒸发完所需的时间,即寿命为
如果电子是一个黑洞,则该黑洞的质量为电子静止质量0.91
×10
-30
kg
,代入如下数值到上式
计算得
。
根据这个结果,如果电子是黑洞,它的寿命的数量级小至10
-107
s,这个时间在物理学里根本不存在,因为它比普朗克时间(
5.39×10⁻⁴⁴s
)还小。
但是,实际上的电子,它是不衰变的,所以它的寿命极长,甚至有人认为可能堪比宇宙的年龄。
所以,电子不可能是一个黑洞。
来源:物含妙理
编辑:cc
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