08.12 為什麼黑洞可能並不是黑的?

2011年8月12日,科學家發現了已知最黑暗的行星。說起黑暗的行星,使人想起黑洞,那麼,黑洞到底是不是黑色的呢?

包括光在內,什麼東西都不能從黑洞裡面逃脫出來。所以,黑洞看起來是黑的。不過,西方有個諺語:“魔鬼在細節裡。”深究黑洞到底黑不黑,已經成為人類開啟量子引力之門的一把鑰匙。

為什麼黑洞可能並不是黑的?

研究表明,黑洞具有以下性質:(1)平衡狀態黑洞的表面重力加速度是個常數,不隨表面上的位置而變化;(2)黑洞的能量隨表面積的增加而增加,變化率由表面重力加速度決定;(3)不考慮量子效應時,黑洞表面積不會減少;(4)黑洞表面的重力加速度永遠大於零,也就是指向黑洞內部。這些性質,不僅適用於真空中的球形黑洞,也適用於各種其他黑洞。

證明以上四條定律需要很多計算。不過從黑洞“吃雞不吐骨頭”的本領,我們從力學上也能大致猜到這些性質。讀者朋友是否對以上四條定律感覺似曾相識呢?讓我們把“表面重力加速度”換成“溫度”,把“表面積”換成“熵”,重新讀一遍上面一段話。我們發現,上面一段話搖身一變,成了熱力學第零定律到第三定律!

為什麼黑洞可能並不是黑的?

更讓人吃驚的是,黑洞定律和熱力學定律之間不僅是相似而已,它們實際上是相同的。加速度,包括重力加速度,確實能產生溫度。這是因為,量子力學導致真空其實不空。真空中充滿著虛粒子的產生和湮滅。靜止或者勻速直線運動的觀察者看不到這些粒子,而加速的觀察者是可以看見這些粒子的。並且加速觀察者會發現這些粒子的溫度的確正比於觀察者的加速度。

“有一份熱,發一份光”。通過“真空不空”,黑洞有溫度,會向外發光。從這個角度,黑洞並非完全是黑的。不過,黑洞發光的波長和黑洞的半徑差不多大,同時功率也小得可憐(除非黑洞本身非常小)。所以星系中的黑洞所發出的輻射,我們就算用最靈敏的長波天線也接收不到。

為什麼黑洞可能並不是黑的?

但是,黑洞輻射具有重要的理論意義。既然表面引力真的代表黑洞的溫度,那麼黑洞的表面積就真的代表黑洞的熵了。通常,物體的熵是跟體積成正比的,可以量度物體組分間運動的混亂程度。而黑洞的熵卻正比於表面積。這暗示著,黑洞內部的物理過程,可以完全由黑洞的表面來描述!也就是說,一個三維空間中的系統,可以用一個二維空間中的理論來描述。這個猜想被稱作“全息原理”。根據這個理論,空間,這個長久以來物理學中最基本的組成部分,或許不是最基本的存在,而可以由其他更基本的概念所取代。正如讀者手中的書是由紙組成的,紙又是由分子、原子組成的一樣。至於什麼是組成空間的“分子”和“原子”,以及時間是否也不是基本的概念,這些問題都有待於未來的研究。

2000多年前,古希臘哲學家柏拉圖曾經假想過這樣的場景:如果人不能自由移動,只能看見自己和別人投射到牆上的影子,那麼他們是否會覺得世界上唯一的存在就是這些影子呢?柏拉圖一定不會想到,今天的理論物理正朝著他預言的方向發展。


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