为什么黑洞可能并不是黑的?
   来源:科普中国     2018年08月12日 15:22

2011年8月12日,科学家发现了已知最黑暗的行星。说起黑暗的行星,使人想起黑洞,那么,黑洞到底是不是黑色的呢?

包括光在内,什么东西都不能从黑洞里面逃脱出来。所以,黑洞看起来是黑的。不过,西方有个谚语:“魔鬼在细节里。”深究黑洞到底黑不黑,已经成为人类开启量子引力之门的一把钥匙。

研究表明,黑洞具有以下性质:(1)平衡状态黑洞的表面重力加速度是个常数,不随表面上的位置而变化;(2)黑洞的能量随表面积的增加而增加,变化率由表面重力加速度决定;(3)不考虑量子效应时,黑洞表面积不会减少;(4)黑洞表面的重力加速度永远大于零,也就是指向黑洞内部。这些性质,不仅适用于真空中的球形黑洞,也适用于各种其他黑洞。

证明以上四条定律需要很多计算。不过从黑洞“吃鸡不吐骨头”的本领,我们从力学上也能大致猜到这些性质。读者朋友是否对以上四条定律感觉似曾相识呢?让我们把“表面重力加速度”换成“温度”,把“表面积”换成“熵”,重新读一遍上面一段话。我们发现,上面一段话摇身一变,成了热力学第零定律到第三定律!

更让人吃惊的是,黑洞定律和热力学定律之间不仅是相似而已,它们实际上是相同的。加速度,包括重力加速度,确实能产生温度。这是因为,量子力学导致真空其实不空。真空中充满着虚粒子的产生和湮灭。静止或者匀速直线运动的观察者看不到这些粒子,而加速的观察者是可以看见这些粒子的。并且加速观察者会发现这些粒子的温度的确正比于观察者的加速度。

“有一份热,发一份光”。通过“真空不空”,黑洞有温度,会向外发光。从这个角度,黑洞并非完全是黑的。不过,黑洞发光的波长和黑洞的半径差不多大,同时功率也小得可怜(除非黑洞本身非常小)。所以星系中的黑洞所发出的辐射,我们就算用最灵敏的长波天线也接收不到。

但是,黑洞辐射具有重要的理论意义。既然表面引力真的代表黑洞的温度,那么黑洞的表面积就真的代表黑洞的熵了。通常,物体的熵是跟体积成正比的,可以量度物体组分间运动的混乱程度。而黑洞的熵却正比于表面积。这暗示着,黑洞内部的物理过程,可以完全由黑洞的表面来描述!也就是说,一个三维空间中的系统,可以用一个二维空间中的理论来描述。这个猜想被称作“全息原理”。根据这个理论,空间,这个长久以来物理学中最基本的组成部分,或许不是最基本的存在,而可以由其他更基本的概念所取代。正如读者手中的书是由纸组成的,纸又是由分子、原子组成的一样。至于什么是组成空间的“分子”和“原子”,以及时间是否也不是基本的概念,这些问题都有待于未来的研究。

2000多年前,古希腊哲学家柏拉图曾经假想过这样的场景:如果人不能自由移动,只能看见自己和别人投射到墙上的影子,那么他们是否会觉得世界上唯一的存在就是这些影子呢?柏拉图一定不会想到,今天的理论物理正朝着他预言的方向发展。

黑洞 重力加速度 表面积