吞噬一切的黑洞竟然也有“压力”

研究者基于量子引力的有效场论方法,利用沃尔德熵公式计算黑洞熵的量子引力修正,结果发现黑洞除了有温度外,对外界还会有压强。这种压强的效应极微弱,以太阳大小的黑洞来说,产生的压强只有地球大气压强的10—46倍。

◎实习记者 孙明源

人们在生活工作中,都有着或大或小的压力。不过,让人意外的是,深邃宇宙中,就连能够吞噬一切的黑洞,也有“压力”。

近日,一项最新研究表明,来自英国萨塞克斯大学的物理学家发现,黑洞实际上是更复杂的热力学系统,不仅有温度,还有压力。这是科学家首次发现黑洞有压力,相关研究成果发表于《物理评论D》。

为何黑洞也有压力?此次研究人员是如何发现这一特性的?未来又应该如何验证?带着这些问题,科技日报记者采访了北京师范大学物理学系副教授、引力物理专家张宏宝。

黑洞从假说到显露“真容”

作为20世纪物理学界最重要的假说之一,黑洞让物理学家和天文爱好者都十分着迷。

早在1783年,英国地理学家约翰·米歇尔就提出,宇宙中可能存在一种天体,其密度大到连光都无法逃逸。1915年,爱因斯坦在广义相对论中提出某些大质量恒星会演化为巨大的引力场。1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西的计算结果表明,如果大量物质集中于空间一点,其产生的引力可以让光也无法逃脱。1968年,美国天体物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒正式提出了“黑洞”一词。

然而,由于黑洞无法被直接观测到,人类只能凭借一些间接的方式,例如借由其他物体的轨迹或被吸入物体的信息来证明黑洞的存在,并依据这些信息对黑洞进行研究。

随着科普和科幻作品的流行,黑洞已经成为大众最熟知的科学概念之一,黑洞的“神秘属性”也刺激着人们对于宇宙的好奇心。在过去的几十年间,科学家围绕黑洞的相关特征提出了大量的假说,但时至今日,黑洞仍有许多谜团待解。

2019年4月,经过200多名科研人员历时10余年的努力,人类才终于拍到历史上首张黑洞照片,这在黑洞研究历史上具有里程碑意义。

“奇怪”的数字揭示黑洞压力

即便见过了黑洞的“颜值”,人类仍然对黑洞的属性知之甚少。不过,随着研究的不断深入,科学家正在不断获得新的发现,这些研究成果也让黑洞的科学形象越来越“丰满”。

事实上,早在1974年,著名物理学家霍金就已提出假说,认为黑洞能够不断向环境辐射热量,具有类似黑体的辐射光谱,即“霍金辐射”。这就意味着,黑洞应当有温度,而且黑洞最终会完全蒸发。根据霍金的理论,黑洞并不意味着绝对的虚无,而是会发射粒子,即散发出热辐射。霍金相信这种辐射最终会使黑洞失去足够的能量和质量,导致其最终消失。

在过去2年当中,已有多项研究对霍金的该项假说进行了探讨。例如2019年以色列理工学院的科学家利用“玻色—爱因斯坦凝聚”状态的极冷气体来模拟黑洞的事件视界(即黑洞的一个看不见的时空边界,任何东西都无法从事件视界内部逃脱)。在这次实验当中,科学家观测到了“霍金辐射”。

而在此次最新研究中,2位来自英国苏塞克斯大学的物理学家泽维尔·卡尔梅以及福克特·凯普斯教授所领导的研究团队在对史瓦西黑洞(一种最常见的黑洞模型)的熵进行量子引力校正时发现了一个“奇怪”的数字。随后,研究人员意识到他们所看到的数字代表的物理行为正是一种压力——黑洞也会对其周围的空间施加压强。

研究者基于量子引力的有效场论方法,利用沃尔德熵公式计算黑洞熵的量子引力修正,结果发现黑洞除了有温度外,对外界还会有压强。这种压力的效应极微弱,以太阳大小的黑洞来说,产生的压强只有地球大气压强的10—46倍。不过,研究者也表示,目前还不清楚造成这种压力更深层次的原因。

“发现黑洞压力”研究也有不足

对于此次最新研究,张宏宝解读说,从科学研究的角度来看,刚刚发表的这篇研究论文属于一个中规中矩的工作,并没有什么重大突破,而且还存在两个较大的问题。其一是我们还没有一个完备的量子引力理论。如前文所述,该计算是在有效场论下的计算结果,当熵获得了量子修正,也许它的质量也获得了量子修正,这样那个所谓的黑洞压力就不存在了,但热力学第一定律依然正确;其二,即使最终可以把这个量子修正解释为黑洞压力的存在,其具备可观测的效应很小,因而缺乏观测价值。在该成果同其他理论的对话当中,这两点不足会有较大影响。

张宏宝表示,在天文物理学、宇宙学研究当中,物理学和数学之间、可观测和不可观测现象之间的各种对话和碰撞普遍存在。科学研究需要建立在严谨的方法论基础之上,人类认知的拓展也是个循序渐进的过程,单个研究很难具备决定性的意义。“在数学公式中发现黑洞压力”是一个有趣的发现,但也只是一个小小尝试。正是在这些不间断的探索当中,黑洞的形象逐渐走向“丰满”,其轮廓也愈加清晰。对于真正的科学家来说,“发现黑洞”是一项长期持续的,而非一次性的工作。

延伸阅读

史瓦西黑洞:“寻常”的黑洞模型

此次的最新研究发现是建立在史瓦西黑洞假说的基础之上。

1916年,德国天文学家、物理学家史瓦西提出了史瓦西黑洞假说,将史瓦西黑洞设定为一个不带电、不自旋的黑洞,黑洞中心为奇点,黑洞的外圈为事件视界,又称史瓦西半径。史瓦西黑洞又被称为“寻常黑洞”,其本身只是一种假说模型,并不能代表现实当中黑洞的真实面貌。

在史瓦西黑洞假说当中,还有一个等同概念叫做史瓦西度规,即史瓦西于1915年针对广义相对论的核心方程——爱因斯坦场方程——关于球状物质分布的解。史瓦西度规是爱因斯坦场方程最一般的真空解,这个解就是史瓦西黑洞。换言之,史瓦西黑洞和史瓦西度规,就是同一事物在物理和数学领域的不同模型形式。正如史瓦西本人在1913年当选德国科学院院士时说的“数学、物理学、化学、天文学是同向前行的,无所谓谁落在后面,也无所谓谁在前头并施以援手……数学、物理学、天文学构成了一个‘知识’,只能作为一个完美的整体而被理解。”

当然,除史瓦西以外,其他科学家也提出了一些黑洞模型。例如一种同时带有角动量和电荷的黑洞假说,叫做克尔—纽曼黑洞,相比于静态的史瓦西黑洞,克尔—纽曼黑洞更接近于实际的黑洞。

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