Bức xạ Hawking
Tổng quan

Lỗ đen là nơi thu hút lực hấp dẫn vô hạn. Về mặt cổ điển, lực hấp dẫn được tạo ra bởi điểm kỳ dị hấp dẫn bên trong lỗ đen mạnh đến mức không gì, thậm chí cả bức xạ điện từ, có thể thoát ra khỏi lỗ đen. Ta vẫn chưa biết làm thế nào có thể kết hợp trọng lực vào cơ học lượng tử. Tuy nhiên, cách xa lỗ đen, các hiệu ứng hấp dẫn có thể đủ yếu để các phép tính được thực hiện một cách đáng tin cậy trong khuôn khổ của thuyết trường lượng tử trong không thời gian cong. Hawking cho thấy các hiệu ứng lượng tử cho phép các lỗ đen phát ra chính xác các bức xạ của vật thể đen. Bức xạ điện từ như thể được phát ra bởi một vật thể màu đen với nhiệt độ tỷ lệ nghịch với khối lượng của lỗ đen.
Có thể hiểu về quá trình này bằng cách tưởng tượng rằng bức xạ của hạt - phản hạt được phát ra từ ngay bên ngoài chân trời sự kiện. Bức xạ này không đến từ chính trực tiếp bản thân lỗ đen, mà là kết quả của việc các hạt ảo được "tăng cường" bởi lực hấp dẫn của lỗ đen để trở thành các hạt thực. Khi cặp hạt - phản hạt được tạo ra bởi năng lượng hấp dẫn của lỗ đen, sự thoát ra của một trong các hạt làm giảm khối lượng của lỗ đen.
Một cách nhìn nhận khác của quá trình này là sự thăng giáng lượng tử làm cho cặp hạt - phản hạt xuất hiện ở gần với chân trời sự kiện của lỗ đen. Một hạt trong cặp hạt rơi vào trong lỗ đen, trong khi hạt còn lại thoát ra ngoài. Để bảo toàn tổng năng lượng, hạt đã rơi vào lỗ đen phải mang năng lượng âm (với sự liên quan đến một người quan sát ở xa lỗ đen). Đó là nguyên nhân làm cho lỗ đen mất dần khối lượng, và đối với một người quan sát bên ngoài, lỗ đen dường như chỉ vừa giải phóng ra một hạt. Trong một mô hình khác, quá trình này là hiệu ứng của xuyên hầm lượng tử, nơi mà những cặp hạt - phản hạt sẽ tạo thành từ hư không, và một sẽ ra ngoài lỗ đen.
Điểm khác nhau quan trọng giữa bức xạ lỗ đen được tính toán bởi Hawking và bức xạ nhiệt thoát ra từ một vật thể đen được thống kê trong tự nhiên, và chỉ khoảng giữa của nó thỏa mãn cái được biết đến như định luật Planck của bức xạ vật thể đen, trong khi bức xạ lỗ đen khớp với các dữ liệu tốt hơn. Do đó bức xạ nhiệt chứa thông tin về vật thể đã thải ra nó, trong khi bức xạ Hawking dường như không chứa thông tin nào, và chỉ phụ thuộc vào khối lượng, mô men động lượng và năng lượng của lỗ đen (thuyết không tóc). Điều này đã dẫn đến nghịch lý mang tên nghịch lý thông tin lỗ đen.
Mặc dù vậy, dựa vào phỏng đoán của đối ngẫu gauge - lực hấp dẫn (còn được biết đến với tương ứng AdS/CFT), các lỗ đen trong các trường hợp nhất định (và có thể nói chung) là tương đương với nghiệm của thuyết trường lượng tử ở nhiệt độ khác không. Điều này có nghĩa là không có sự mất thông tin nào được dự đoán ở lỗ đen và bức xạ thoát ra bởi một lỗ đen có thể là bức xạ nhiệt thông thường. Nếu điều này đúng, phép tính ban đầu của Hawking nên được sửa chữa, mặc dù không biết làm thế nào.
Một lỗ đen với một khối lượng mặt trời (M☉) sở hữu nhiệt độ chỉ 60 nano Kelvin (60 phần tỉ của một Kelvin); trên thực tế, một lỗ đen sẽ hấp thụ bức xạ nền vi sóng vũ trụ nhiều hơn lượng nó thoát ra. Một lỗ đen có 4.5 x 1022 kg (khoảng khối lượng của Mặt Trăng, hoặc khoảng 133 μm) sẽ trong trạng thái cân bằng mức 2.7 K, hấp thụ nhiều bức xạ như lượng nó thoát ra. Nhưng những lỗ đen nguyên thủy nhỏ hơn sẽ thoát ra lượng nhiều hơn chúng hấp thụ vào và vì thế mất dần khối lượng.