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(jì)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(huì)有壓強(qiáng)。這種壓強(qiáng)的效應(yīng)極微弱，以太陽大小的黑洞來說，產(chǎn)生的壓強(qiáng)只有地球大氣壓強(qiáng)的10—46倍。

人們在生活工作中，都有著或大或小的壓力。不過，讓人意外的是，深邃宇宙中，就連能夠吞噬一切的黑洞，也有“壓力”。

近日，一項(xiàng)最新研究表明，來自英國薩塞克斯大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，黑洞實(shí)際上是更復(fù)雜的熱力學(xué)系統(tǒng)，不僅有溫度，還有壓力。這是科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)黑洞有壓力，相關(guān)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(yīng)該如何驗(yàn)證？帶著這些問題，科技日報(bào)記者采訪了北京師范大學(xué)物理學(xué)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(jì)物理學(xué)界最重要的假說之一，黑洞讓物理學(xué)家和天文愛好者都十分著迷。

早在1783年，英國地理學(xué)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(huì)演化為巨大的引力場。1916年，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西的計(jì)算結(jié)果表明，如果大量物質(zhì)集中于空間一點(diǎn)，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(xué)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(jìn)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(xué)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(xué)家圍繞黑洞的相關(guān)特征提出了大量的假說，但時(shí)至今日，黑洞仍有許多謎團(tuán)待解。

2019年4月，經(jīng)過200多名科研人員歷時(shí)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(xué)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(xué)形象越來越“豐滿”。

事實(shí)上，早在1974年，著名物理學(xué)家霍金就已提出假說，認(rèn)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(yīng)當(dāng)有溫度，而且黑洞最終會(huì)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(huì)發(fā)射粒子，即散發(fā)出熱輻射?；艚鹣嘈胚@種輻射最終會(huì)使黑洞失去足夠的能量和質(zhì)量，導(dǎo)致其最終消失。

在過去2年當(dāng)中，已有多項(xiàng)研究對霍金的該項(xiàng)假說進(jìn)行了探討。例如2019年以色列理工學(xué)院的科學(xué)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(gè)看不見的時(shí)空邊界，任何東西都無法從事件視界內(nèi)部逃脫）。在這次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，科學(xué)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(xué)的物理學(xué)家澤維爾·卡爾梅以及?？颂亍P普斯教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在對史瓦西黑洞（一種最常見的黑洞模型）的熵進(jìn)行量子引力校正時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“奇怪”的數(shù)字。隨后，研究人員意識(shí)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(huì)對其周圍的空間施加壓強(qiáng)。

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(jì)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(huì)有壓強(qiáng)。這種壓力的效應(yīng)極微弱，以太陽大小的黑洞來說，產(chǎn)生的壓強(qiáng)只有地球大氣壓強(qiáng)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(xué)研究的角度來看，剛剛發(fā)表的這篇研究論文屬于一個(gè)中規(guī)中矩的工作，并沒有什么重大突破，而且還存在兩個(gè)較大的問題。其一是我們還沒有一個(gè)完備的量子引力理論。如前文所述，該計(jì)算是在有效場論下的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)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(gè)所謂的黑洞壓力就不存在了，但熱力學(xué)第一定律依然正確；其二，即使最終可以把這個(gè)量子修正解釋為黑洞壓力的存在，其具備可觀測的效應(yīng)很小，因而缺乏觀測價(jià)值。在該成果同其他理論的對話當(dāng)中，這兩點(diǎn)不足會(huì)有較大影響。

張宏寶表示，在天文物理學(xué)、宇宙學(xué)研究當(dāng)中，物理學(xué)和數(shù)學(xué)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(xué)研究需要建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄕ摶A(chǔ)之上，人類認(rèn)知的拓展也是個(gè)循序漸進(jìn)的過程，單個(gè)研究很難具備決定性的意義。“在數(shù)學(xué)公式中發(fā)現(xiàn)黑洞壓力”是一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)，但也只是一個(gè)小小嘗試。正是在這些不間斷的探索當(dāng)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(xué)家來說，“發(fā)現(xiàn)黑洞”是一項(xiàng)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(chǔ)之上。

1916年，德國天文學(xué)家、物理學(xué)家史瓦西提出了史瓦西黑洞假說，將史瓦西黑洞設(shè)定為一個(gè)不帶電、不自旋的黑洞，黑洞中心為奇點(diǎn)，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(shí)當(dāng)中黑洞的真實(shí)面貌。

在史瓦西黑洞假說當(dāng)中，還有一個(gè)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(guān)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(gè)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(xué)領(lǐng)域的不同模型形式。正如史瓦西本人在1913年當(dāng)選德國科學(xué)院院士時(shí)說的“數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)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(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)構(gòu)成了一個(gè)‘知識(shí)’，只能作為一個(gè)完美的整體而被理解?！?/p>

當(dāng)然，除史瓦西以外，其他科學(xué)家也提出了一些黑洞模型。例如一種同時(shí)帶有角動(dòng)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(shí)際的黑洞。