吞噬一切的黑洞竟然也有“壓力”

研究者基于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，黑洞實際上是更復雜的熱力學系統，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，科技日報記者采訪了北京師范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恒星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，由于黑洞無法被直接觀測到，人類只能憑借一些間接的方式，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，并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”也刺激著人們對于宇宙的好奇心。在過去的幾十年間，科學家圍繞黑洞的相關特征提出了大量的假說，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余年的努力，人類才終于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，黑洞并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。隨后，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。

研究者基于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

對于此次最新研究，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于一個中規中矩的工作，并沒有什么重大突破，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。對于真正的科學家來說，“發現黑洞”是一項長期持續的，而非一次性的工作。(孫明源)

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，并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——關于球狀物質分布的解。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，無所謂誰落在后面，也無所謂誰在前頭并施以援手……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—紐曼黑洞更接近于實際的黑洞。

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