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吞噬一切的黑洞竟然也有“壓力”

2021-09-28 09:56:44 | 來源: 科技日報 | 責編: 鄭思雯
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  研究者基於量子引力的有效場論方法,利用沃爾德熵公式計算黑洞熵的量子引力修正,結果發現黑洞除了有溫度外,對外界還會有壓強。這種壓強的效應極微弱,以太陽大小的黑洞來說,產生的壓強只有地球大氣壓強的10—46倍。

  人們在生活工作中,都有著或大或小的壓力。不過,讓人意外的是,深邃宇宙中,就連能夠吞噬一切的黑洞,也有“壓力”。

  近日,一項最新研究表明,來自英國薩塞克斯大學的物理學家發現,黑洞實際上是更複雜的熱力學系統,不僅有溫度,還有壓力。這是科學家首次發現黑洞有壓力,相關研究成果發表于《物理評論D》。

  為何黑洞也有壓力?此次研究人員是如何發現這一特性的?未來又應該如何驗證?帶著這些問題,科技日報記者採訪了北京師範大學物理學系副教授、引力物理專家張宏寶。

  黑洞從假說到顯露“真容”

  作為20世紀物理學界最重要的假說之一,黑洞讓物理學家和天文愛好者都十分著迷。

  早在1783年,英國地理學家約翰·米歇爾就提出,宇宙中可能存在一種天體,其密度大到連光都無法逃逸。1915年,愛因斯坦在廣義相對論中提出某些大質量甯P會演化為巨大的引力場。1916年,德國天文學家卡爾·史瓦西的計算結果表明,如果大量物質集中于空間一點,其產生的引力可以讓光也無法逃脫。1968年,美國天體物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒正式提出了“黑洞”一詞。

  然而,由於黑洞無法被直接觀測到,人類只能憑藉一些間接的方式,例如借由其他物體的軌跡或被吸入物體的信息來證明黑洞的存在,並依據這些信息對黑洞進行研究。

  隨著科普和科幻作品的流行,黑洞已經成為大眾最熟知的科學概念之一,黑洞的“神秘屬性”也刺激著人們對於宇宙的好奇心。在過去的幾十年間,科學家圍繞黑洞的相關特徵提出了大量的假說,但時至今日,黑洞仍有許多謎團待解。

  2019年4月,經過200多名科研人員歷時10餘年的努力,人類才終於拍到歷史上首張黑洞照片,這在黑洞研究歷史上具有里程碑意義。

  “奇怪”的數字揭示黑洞壓力

  即便見過了黑洞的“顏值”,人類仍然對黑洞的屬性知之甚少。不過,隨著研究的不斷深入,科學家正在不斷獲得新的發現,這些研究成果也讓黑洞的科學形象越來越“豐滿”。

  事實上,早在1974年,著名物理學家霍金就已提出假說,認為黑洞能夠不斷向環境輻射熱量,具有類似黑體的輻射光譜,即“霍金輻射”。這就意味著,黑洞應當有溫度,而且黑洞最終會完全蒸發。根據霍金的理論,黑洞並不意味著絕對的虛無,而是會發射粒子,即散發出熱輻射。霍金相信這種輻射最終會使黑洞失去足夠的能量和質量,導致其最終消失。

  在過去2年當中,已有多項研究對霍金的該項假說進行了探討。例如2019年以色列理工學院的科學家利用“玻色—愛因斯坦凝聚”狀態的極冷氣體來模擬黑洞的事件視界(即黑洞的一個看不見的時空邊界,任何東西都無法從事件視界內部逃脫)。在這次實驗當中,科學家觀測到了“霍金輻射”。

  而在此次最新研究中,2位來自英國蘇塞克斯大學的物理學家澤維爾·卡爾梅以及福克特·凱普斯教授所領導的研究團隊在對史瓦西黑洞(一種最常見的黑洞模型)的熵進行量子引力校正時發現了一個“奇怪”的數字。隨後,研究人員意識到他們所看到的數字代表的物理行為正是一種壓力——黑洞也會對其周圍的空間施加壓強。

  研究者基於量子引力的有效場論方法,利用沃爾德熵公式計算黑洞熵的量子引力修正,結果發現黑洞除了有溫度外,對外界還會有壓強。這種壓力的效應極微弱,以太陽大小的黑洞來說,產生的壓強只有地球大氣壓強的10—46倍。不過,研究者也表示,目前還不清楚造成這種壓力更深層次的原因。

  “發現黑洞壓力”研究也有不足

  對於此次最新研究,張宏寶解讀說,從科學研究的角度來看,剛剛發表的這篇研究論文屬於一個中規中矩的工作,並沒有什麼重大突破,而且還存在兩個較大的問題。其一是我們還沒有一個完備的量子引力理論。如前文所述,該計算是在有效場論下的計算結果,當熵獲得了量子修正,也許它的質量也獲得了量子修正,這樣那個所謂的黑洞壓力就不存在了,但熱力學第一定律依然正確;其二,即使最終可以把這個量子修正解釋為黑洞壓力的存在,其具備可觀測的效應很小,因而缺乏觀測價值。在該成果同其他理論的對話當中,這兩點不足會有較大影響。

  張宏寶表示,在天文物理學、宇宙學研究當中,物理學和數學之間、可觀測和不可觀測現象之間的各種對話和碰撞普遍存在。科學研究需要建立在嚴謹的方法論基礎之上,人類認知的拓展也是個循序漸進的過程,單個研究很難具備決定性的意義。“在數學公式中發現黑洞壓力”是一個有趣的發現,但也只是一個小小嘗試。正是在這些不間斷的探索當中,黑洞的形象逐漸走向“豐滿”,其輪廓也愈加清晰。對於真正的科學家來說,“發現黑洞”是一項長期持續的,而非一次性的工作。

  延伸閱讀

  史瓦西黑洞:“尋常”的黑洞模型

  此次的最新研究發現是建立在史瓦西黑洞假說的基礎之上。

  1916年,德國天文學家、物理學家史瓦西提出了史瓦西黑洞假說,將史瓦西黑洞設定為一個不帶電、不自旋的黑洞,黑洞中心為奇點,黑洞的外圈為事件視界,又稱史瓦西半徑。史瓦西黑洞又被稱為“尋常黑洞”,其本身只是一種假說模型,並不能代表現實當中黑洞的真實面貌。

  在史瓦西黑洞假說當中,還有一個等同概念叫做史瓦西度規,即史瓦西于1915年針對廣義相對論的核心方程——愛因斯坦場方程——關於球狀物質分佈的解。史瓦西度規是愛因斯坦場方程最一般的真空解,這個解就是史瓦西黑洞。換言之,史瓦西黑洞和史瓦西度規,就是同一事物在物理和數學領域的不同模型形式。正如史瓦西本人在1913年當選德國科學院院士時說的“數學、物理學、化學、天文學是同向前行的,無所謂誰落在後面,也無所謂誰在前頭並施以援手……數學、物理學、天文學構成了一個‘知識’,只能作為一個完美的整體而被理解。”

  當然,除史瓦西以外,其他科學家也提出了一些黑洞模型。例如一種同時帶有角動量和電荷的黑洞假說,叫做克爾—紐曼黑洞,相比于靜態的史瓦西黑洞,克爾—紐曼黑洞更接近於實際的黑洞。(孫明源)

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