一个流氓行星在宇宙后期蒸发需要多长时间?


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我曾经读过一本通俗的科学书籍,其中作者计算了由于霍金辐射而使最大的黑洞蒸发所需的时间。他声称那段时间之后,宇宙将只充满基本粒子。

但是,不是黑洞的天体会发生什么?例如,一个地球大小的流氓行星,在极冷的宇宙中漂流到深空的某个地方?有哪些已知的影响会导致该行星蒸发?需要多长时间?


假设您正在谈论影响黑洞的霍金辐射,不知道这种现象会影响行星,恒星或其他天体非黑洞物体。
HDE 226868

Answers:


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黑洞时代之所以如此命名,是因为此时仅黑洞和基本粒子将保留。

应当指出,目前尚无质子衰减的证据,因此,宇宙的这一阶段严格地是理论上的。

资源:


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物理学家约翰·贝兹John Baez)的这一页解释了从长远来看,那些体重不足以坍塌成黑洞的物体(例如流氓行星和白矮星)会发生什么,前提是它们不会与存在的黑洞交叉并被吸收。简短的回答:由于与霍金辐射无关的原因,它们会蒸发。显然这只是一个热力学问题,大概是由于体内的内部热能周期性地导致表面上的粒子随机获得足够的动能以达到逃逸速度并逃逸到人体之外(此处的Wiki文章提到这称为“牛仔裤逃逸” ')。这是完整的讨论:

好的,现在我们有了一堆孤立的黑矮星,中子星和黑洞,以及气体,尘埃粒子,当然还有行星和其他杂物的原子和分子,所有这些都非常接近绝对零。

随着宇宙的膨胀,这些事物最终散布到一个巨大的空间,每个人都完全孤独。

那么接下来会发生什么呢?

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例如,尽管温度低,但除黑洞以外的所有事物都会趋于“升华”或“电离”,从而逐渐失去原子,甚至失去电子和质子。具体地说,让我们考虑氢气的电离作用-尽管这种说法更为笼统。如果您取一盒氢气并在保持其温度不变的情况下继续增大它的尺寸,则最终会离子化。无论温度多么低,只要它不是正好为绝对零,这种情况都会发生,无论如何,这是热力学第三定律所禁止的。

这可能看起来很奇怪,但是原因很简单:在热平衡中,任何物质都可以将其自由能(E-TS)最小化:能量减去温度乘以熵。这意味着在想要最小化其能量和想要最大化其熵之间存在竞争。在更高的温度下,使熵最大化变得尤为重要。在较低的温度下,使能量最小化变得越来越重要-但是,只要温度不为零或无穷大,这两种影响就很重要。

[我将中断这个解释,以指出任何完全隔离的系统都只能在长期内最大化其熵,对于与周围系统接触的系统而言,情况并非如此。假设您的系统连接到更大的环境集合(例如浸入到流体或什至是宇宙背景辐射的海洋中),并且系统可以与周围环境以热能形式交换能量(不会发生明显变化)假设周围环境比系统大得多,那么周围环境的温度就是所谓的蓄热库),但他们无法交易其他数量(如交易量)。然后,必须使系统+周围环境的总熵最大化的陈述等同于仅应使系统最小化称为其“亥姆霍兹自由能”的量的陈述,这就是Baez在最后一段中所讨论的内容-参见本文答案本页。顺便说一句,如果他们可以交易能量体积,则最大化系统+周围环境的总熵等于说系统必须自己最小化一个稍有不同的量,称为“吉布斯自由能”(等于亥姆霍兹自由能)加压力倍体积变化),请参阅“熵和吉布斯自由能” 在这里。]

考虑一下这对我们的氢气箱意味着什么。一方面,电离的氢比氢原子或分子具有更多的能量。这使得氢想要在原子和分子中粘在一起,尤其是在低温下。但是另一方面,电离的氢具有更大的熵,因为电子和质子更容易漫游。随着盒子的增大,这种熵差也越来越大。因此,无论温度有多低,只要温度高于零,当我们不断扩大盒子时,氢最终都会离子化。

(实际上,这与我已经提到的“沸腾”过程有关:我们可以使用热力学来观察,只要星系的密度足够低,恒星在达到热平衡时就会从星系中沸腾出来。 )

但是,这很复杂:在膨胀的宇宙中,温度不是恒定的-会降低!

所以问题是,随着宇宙的扩大,哪种效应会获胜:密度的降低(使物质要被电离)或温度降低的(使物质想要聚在一起)?

从短期来看,这是一个相当复杂的问题,但从长远来看,事情可能会简化:如果宇宙由于非零的宇宙常数而呈指数增长,则物质的密度显然会为零。但是温度不会为零。它接近特定的非零值!因此,由质子,中子和电子构成的所有形式的物质最终都将电离!

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这很冷,但是由于物质密度足够低,这个温度足以使所有由质子,中子和电子构成的物质电离!甚至像中子星这样的大物体也应缓慢,缓慢地消散。(中子星的外壳不是由中子构成的:它主要由铁构成。)

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