[解密] 解析霍金的“黑洞不存在”理论


  位于天鹅座的一颗黑洞和伴星形成的双星系统(示意图)。这也是人类确认的第一颗黑洞。


  腾讯科学(乔辉)今年1月22日,著名的理论物理学家斯蒂芬·霍金在论文预印本网站(arXiv)上传了一篇有关黑洞性质的论文。霍金在论文中指出,黑洞附近时空的量子涨落非常猛烈,因此可能不存在一个物质落进去就永远无法逃逸的清晰边界,即所谓的事件视界(Event Horizon). 但是该论文没有通过同行评议。


  在论文中,他强调了黑洞的“表观视界”(Apparent Horizon)这一概念,落入黑洞的物体只是暂时被囚禁其中,等到“表观视界”消失之后,被囚禁的物质会以另一种无法辨认的方式释放出来。不过,霍金并没有给出“表观视界”怎样消失的具体证明。即使霍金是对的,也只能说我们要改变传统上对黑洞性质的认识,这并不等于说黑洞就不存在了。


  黑洞的存在是毋庸置疑的,已经被大量天文观测所证实。恒星级质量的黑洞是大质量恒星燃尽其内部的核燃料,在自身引力的作用下发生坍缩而成,这种黑洞的形成会伴随有伽马射线暴(GRB),这种天文现象经常被运行在太空的伽马射望远镜捕捉到,我们不时能从NASA看到这样的新闻。在我们银河系的中心,就有一颗质量达太阳质量440万倍的大质量的黑洞,这种黑洞的形成机制目前还没有完全定论,估计是由中小质量的黑洞合并而成。


  总体来看,霍金的这篇论文并不是严格意义上的学术论文,而是一场网络学术研讨会上的发言稿,只能算是一种学术观点。


  黑洞理论简史


  1916年,在爱因斯坦“广义相对论”刚刚提出后,德国天文学家史瓦西就得到了爱因斯坦场方程的第一个严格解,即史瓦西度规。从这个解中,我们可以得到一个推论,如果有一种力量能够把太阳压缩到一个半径不到3公里的球,那么外部的观测者就将再也无法看到阳光,这样就形成了一颗黑洞。实际上,太阳的质量还不够大,自身的引力还不够强大到把自己压缩成黑洞。但在宇宙中,特别是早期宇宙,不乏能够坍缩成黑洞的大质量恒星。


  1939年,美国“原子弹之父”奥本海默及其合作者从广义相对论出发,给出了宇宙中最致密的中子星所能够承受的质量上限,约等于3.2个太阳质量。一旦演化末期的恒星内核的质量超过这一极限,就没有任何力量能够阻止它自身引力坍缩,最终会形成一颗黑洞。


  后来,英国理论物理学家霍金和英国数学物理学家彭罗斯提出了“奇性定理”,论证了黑洞中的物质最终都会落向一个密度无穷大的“奇点”(Singularity)。“奇点”被“事件视界”所包围,黑洞中的任何物质都无法逃逸出。


  1974年,霍金根据热力学定律和量子场论又提出了“霍金辐射”的概念,打破了过去人们认为黑洞只吸收物质和辐射的观念。黑洞也在极其缓慢释放各种辐射。


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