黑洞會蒸發——現在物理學家認為其他一切也會

根據新的計算,所有物質最終都可能逐個粒子地消失

Illustration of an imagined black hole in space.

Kenn Brown/Mondolithic Studios

恆星、行星、人類和矮牽牛花:所有事物都會發出一種特殊的輻射,如果存在足夠長的時間,最終都會蒸發殆盡。

這是在一項新的物理效應研究中提出的論斷,這些效應以前被認為只發生在黑洞附近。在那種極端環境中,宇宙中一些最大和最小的事物相互摩擦。為了描述如此不同尺度上的事件,科學家們必須同時使用愛因斯坦的相對論(支配大物體的規則)和量子力學(支配微小物體的規則),從而產生一些奇異的效應。但是,如果新的計算是正確的,這種蒸發可能很常見——即使黑洞不存在時也是如此。

在 20 世紀 70 年代,已故英國物理學家斯蒂芬·霍金開始思考在黑洞邊緣(稱為事件視界的地方)經歷無與倫比的引力的粒子會發生什麼。任何稍微位於事件視界內的東西都不可避免地會掉入黑洞,而任何剛好在事件視界之外的東西仍然有機會逃脫。


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霍金想知道,在黑洞事件視界附近自發出現的粒子對——一個粒子及其反粒子夥伴——會發生什麼。這些粒子對從空間的“空”真空中出現,量子力學告訴我們,它們不斷地在各處閃爍出現和消失。一旦一個粒子與其反粒子相遇,它們就會在瞬間互相湮滅,而整個宇宙都不會注意到它們的存在。

霍金表明,如果其中一個夥伴出現在事件視界內,它將掉入黑洞,而其在視界另一側的同伴將以驚人的速度向外飛出。為了保持黑洞的總能量並遵守物理學原理,下落的粒子必須攜帶負能量(因此也攜帶負質量),而發射出的粒子必須具有正能量。透過這種方式,黑洞會發射一種現在稱為霍金輻射的能量,隨著時間的推移,這種逸出的正能量會耗盡它們,導致它們蒸發。

大約六年前,荷蘭內梅亨拉德堡大學的天體物理學家海諾·法爾克開始更深入地思考這些過程中涉及的物理學——以及黑洞的事件視界是否是必要的組成部分。換句話說,這種蒸發是否會發生在其他物體上?“我問了一些專家,得到了非常不同的答案,”他回憶道。

法爾克求助於拉德堡大學的量子物理學家邁克爾·翁德拉克和數學家瓦爾特·範·蘇伊勒科姆,再次審視這個問題。三人決定從一個非典型的角度來探討這個話題。科學家們使用了來自一種稱為施溫格效應的相關現象的方程式,該效應描述了帶電粒子和反粒子如何在強大的電磁場存在下從真空中出現時被撕裂。這個過程可以被認為類似於粒子對在黑洞事件視界處經歷強大的引力。

研究人員的數學分析表明,任何有質量的物體——而不僅僅是像黑洞這樣的超重物體——如何影響從空間真空中出現的粒子和反粒子對。科羅拉多大學博爾德分校研究理論天體物理學的博士生泰勒·麥克馬肯說,用更像波的方式來說,這些粒子可以被認為具有關於它們可能在空間中位置的機率雲。在沒有任何外部力(電磁力或引力)的情況下,粒子和反粒子的雲會重疊,並且它們會互相湮滅。但是,如果引力或其他某種力對一個雲的拉力大於另一個雲,則每個雲都會略微移動。它們不會重疊,因此不會被湮滅。相反,它們會產生輻射,很像從黑洞事件視界丟擲的粒子。

該團隊最近發表在Physical Review Letters上的計算表明,任何有引力的物體(基本上意味著宇宙中的每個物體)都會發出類似霍金輻射的輻射,並最終蒸發。這些方程式表明,這個過程將需要數萬億年的時間,因此您和您的個人物品很可能在這個效應發揮作用之前就早已消失了。但是,如果這種現象是真實的,那麼白矮星和中子星等已死亡恆星的長壽命殘骸(具有巨大的質量)的壽命可能會縮短。

麥克馬肯說,這項分析似乎很有希望,但他並沒有參與這項工作。“這表明,確實存在某種效應,即粒子僅在真空中的引力作用下就可以被撕裂,”他補充道。麥克馬肯和他的同事們曾考慮進行類似的計算,他說,因此他很高興科學家們對這些情況進行了徹底的檢查,以瞭解會發生什麼。

但其他研究人員不同意。“就我個人而言,我對之前關於粒子在大型物體附近會發生什麼的所有計算都是錯誤的持懷疑態度,”慕尼黑數學哲學中心的理論物理學家薩賓·霍森菲爾德說。她懷疑,更仔細的分析會表明,粒子-反粒子對實際上不會從黑洞以外的大型物體輻射出來。

目前的技術不夠靈敏,無法檢測到這種蒸發效應,也無法以某種方式或另一種方式證明這一新主張。法爾克和他的團隊建議,進一步的實驗可以側重於觀察施溫格效應(目前也仍然是理論上的),以可能支援他們的主張。

Adam Mann 是一位專門從事天文學和物理學的新聞記者。他的作品曾發表在《國家地理》、《華爾街日報》、《連線》和其他刊物上。

更多作者:Adam Mann
大眾科學 Magazine Vol 329 Issue 2本文最初以“Disappearing Act”為標題發表在大眾科學雜誌 第 329 卷第 2 期 (), p. 8
doi:10.1038/scientificamerican0923-8
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