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  • 黑洞也是由分子組成的?

    發布時間: 2019/9/1 0:26:19 被閱覽數: 次 來源: 環球科學
    文字 〖 〗 )

    圖片來源:Maciej Rebisz for Quanta Magazine

    作為宇宙中最神秘的天體,黑洞一般被認為是一種扭曲的時空結構:所有質量集中于奇點,而不存在物質結構。但是,兩位中國科學家提出了全然不同的黑洞觀。蘭州大學的魏少文、劉玉孝兩位教授與加拿大滑鐵盧大學的合作者在兩篇發表于《物理評論快報》[1]、[2]的論文中,建立了全新的物理觀念:黑洞也是由分子組成的。
      黑洞的內部結構
      日常生活中,我們見到的所有物體都是由物質結構組成的,比如珍珠奶茶是由珍珠和奶茶組成的,白酒是由水分子與乙醇分子組成的。
      那么,問題來了,黑洞是由什么組成的?
      傳統的廣義相對論認為,黑洞內部是沒有物質結構的。換句話說,黑洞的內部除了奇點之外,其余部分都是真空的,黑洞的質量集中在奇點之上。這種觀念已經統治了物理學幾十年,試圖去改變這個觀念的物理學家都會遇見各種各樣的理論困難。
      但是另一方面,黑洞的表面是存在“黑洞熵”的。早在20世紀70年代,貝肯斯坦與霍金就已經證明[3]、[4],黑洞表面的熵正比于黑洞的表面積,而不是正比于黑洞內部的體積。這是一個偉大的進展,因為在之前的傳統物理學中,熵都是正比于體積的。
      在玻爾茲曼著名的熵公式S = K · lnW中,熵正比于微觀狀態數(W)的對數。但是,黑洞熵對應的微觀狀態數W到底是怎么來呢?此前一直沒有答案。
      另一方面,黑洞如果有內部構成,那么其內部也會有一個熵。這個熵是否與表面的熵一致,也是物理學上一個前沿的問題。
      魏少文和劉玉孝則相信黑洞的內部是有組成的。他們認為,就好像我們的房間里充滿了空氣分子一樣,黑洞的內部也充滿了一種“黑洞分子”——這些黑洞分子理所當然地給出了黑洞在統計物理意義上的微觀狀態數,因此也可以計算出黑洞熵。他們認為,這個內部的熵等價于黑洞表面的“貝肯斯坦-霍金熵”。
      但是,一個更基礎的問題是——為什么會存在黑洞分子?劉玉孝在接受《環球科學》采訪時引用著名的統計物理學家玻爾茲曼的話說:“如果一個物體能被加熱,則它一定有微觀結構!
      是的,霍金早已經證明,黑洞是有溫度的,所以黑洞可以被加熱。當一個黑洞的質量減小時,它的溫度會升高。因此,如果玻爾茲曼的理論適用于黑洞,那么,黑洞應該是有微觀結構的——這個微觀結構,就是“黑洞分子”。
      黑洞分子有多大?
      那么,組成黑洞的這些分子有多大呢?如果記黑洞的半徑為rh,記普朗克長度為lp,那么,可以計算出黑洞的分子大小為:
      黑洞內部充滿了大量黑洞分子,它們給出了黑洞的熵;同時,這些黑洞分子也導致了一種新的物理現象,這就是所謂的“黑洞相變”。
      早在2009年,物理學家Kastor、Ray以及Traschen在《經典與量子引力》[5]雜志上發表論文,通過微分幾何學的方法論證,在反德西特時空(一個具有最大對稱性的時空,其宇宙學常數是一個負數)中,要保持黑洞的熱力學定律繼續成立,那么應該把宇宙學常數看成是黑洞的壓強。
      他們建立了在反德西特時空中,黑洞內分子氣體壓強與宇宙學常數的對應關系:
      在這個正比關系中,宇宙學常數是一個負數,而壓強是一個正數。
      我們知道,對于一種氣體,其壓強是可變的。那么宇宙學常數如果對應于壓強,它也是可變的嗎?答案是肯定的。在一些“更基礎”的理論中,物理常數都不是真正的常數,例如精細結構常數。宇宙學常數的物理本質是真空的量子能量平均值,這當然也不是一個真正的常數。
      兩個方程的對應
      到了2012年,物理學家Kubiznak與 Mann在《高能物理雜志》[6]上發表論文指出,對于反德西特時空中的黑洞,其壓強P與黑洞溫度T以及黑洞的半徑rh之間,存在一個進一步的關系:
      魏少文、劉玉孝注意到,上述方程與大學物理中的范德瓦爾斯氣體狀態方程是類似的(兩個方程在數學上雖然不是嚴格相等,但差距很。。
      范德瓦爾斯方程是這樣的:
      如果將范德瓦爾斯氣體狀態方程中表示氣體分子大小的常數b設置為0,那么兩個方程是精確等價的。
      眾所周知,范德瓦爾斯方程描述的是氣體到液體的相變過程。于是,魏少文和劉玉孝猜測,黑洞也會發生相變。在2015年的研究中,他們提出了黑洞微觀“分子”假說,認為黑洞內部其實也是一個流體,這些黑洞分子組成的流體可以給出黑洞的微觀結構。這個假說看起來很像100多年前玻爾茲曼提出的原子假說——雖然在當時的實驗上觀測不到原子,但玻爾茲曼篤信原子存在。
      相信未來
      如果把黑洞看成是由黑洞分子組成的,姑且不論這些黑洞分子到底是什么,但它們的集體行為可以與流體相比較。也就是說,這些“黑洞分子”就好像是“流體”那樣存在于黑洞的內部。當黑洞處于特定的溫度時,如果給定這些黑洞分子的壓強(宇宙學常數),那么,這個黑洞可以出現相變。這種相變被稱為“大黑洞”與“小黑洞”的相變,即黑洞的大小可以發生突變。例如,一個大黑洞的體積可以突然縮小一半,變成小黑洞。
      所謂的大黑洞與小黑洞,它們的質量是不一樣的。正如中子星與黑洞之間存在一個臨界質量——大于3倍太陽質量的中子星一定是黑洞,大黑洞與小黑洞之間也有一個質量的分界線,這個分界線與宇宙學常數的大小有關,也與黑洞本身的溫度有關。
      不過需要指出的是,這個對應關系只適用于反德西特時空中的黑洞,那個時空中有著負的宇宙學常數。而在我們所處的時空中,天文觀測告訴我們,宇宙學常數應該是非負的。因此,這個關系并不能直接套用到這個宇宙中的黑洞上。我們空間中的黑洞內部是怎樣的,目前還難以計算。
      也許,黑洞真的是有微觀結構的,雖然現在我們還不知道組成黑洞的分子到底是什么,也不知道一般時空中的黑洞如何進行類似的研究。但黑洞也是由分子組成的猜想,終有一天會被證實或者證偽,讓我們相信未來的眼睛。

    編輯:秋痕

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