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(fā)現(xiàn)，黑洞實際上是更復雜的熱力學系統(tǒng)，不僅有溫度，還有壓力。這是科學家首次發(fā)現(xiàn)黑洞有壓力，相關研究成果發(fā)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(jié)果表明，如果大量物質(zhì)集中于空間一點，其產(chǎn)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(jù)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(jīng)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(jīng)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(shù)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(fā)現(xiàn)，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(huán)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(fā)。根據(jù)霍金的理論，黑洞并不意味著絕對的虛無，而是會發(fā)射粒子，即散發(fā)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(zhì)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(tài)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(nèi)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?？颂?middot;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(fā)現(xiàn)了一個“奇怪”的數(shù)字。隨后，研究人員意識到他們所看到的數(shù)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(jié)果發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)表的這篇研究論文屬于一個中規(guī)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(jié)果，當熵獲得了量子修正，也許它的質(zhì)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(shù)學之間、可觀測和不可觀測現(xiàn)象之間的各種對話和碰撞普遍存在?？茖W研究需要建立在嚴謹?shù)姆椒ㄕ摶A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(shù)學公式中發(fā)現(xiàn)黑洞壓力”是一個有趣的發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)黑洞”是一項長期持續(xù)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(guī)，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(zhì)分布的解。史瓦西度規(guī)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(guī)，就是同一事物在物理和數(shù)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(shù)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(shù)學、物理學、天文學構(gòu)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(tài)的史瓦西黑洞，克爾—紐曼黑洞更接近于實際的黑洞。

標簽： 揭示 黑洞