恒星、行星、人类和矮牵牛花:所有事物都会发出一种特殊的辐射,如果存在足够长的时间,最终都会蒸发殆尽。
这是在一项新的物理效应研究中提出的论断,这些效应以前被认为只发生在黑洞附近。在那种极端环境中,宇宙中一些最大和最小的事物相互摩擦。为了描述如此不同尺度上的事件,科学家们必须同时使用爱因斯坦的相对论(支配大物体的规则)和量子力学(支配微小物体的规则),从而产生一些奇异的效应。但是,如果新的计算是正确的,这种蒸发可能很常见——即使黑洞不存在时也是如此。
在 20 世纪 70 年代,已故英国物理学家斯蒂芬·霍金开始思考在黑洞边缘(称为事件视界的地方)经历无与伦比的引力的粒子会发生什么。任何稍微位于事件视界内的东西都不可避免地会掉入黑洞,而任何刚好在事件视界之外的东西仍然有机会逃脱。
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霍金想知道,在黑洞事件视界附近自发出现的粒子对——一个粒子及其反粒子伙伴——会发生什么。这些粒子对从空间的“空”真空中出现,量子力学告诉我们,它们不断地在各处闪烁出现和消失。一旦一个粒子与其反粒子相遇,它们就会在瞬间互相湮灭,而整个宇宙都不会注意到它们的存在。
霍金表明,如果其中一个伙伴出现在事件视界内,它将掉入黑洞,而其在视界另一侧的同伴将以惊人的速度向外飞出。为了保持黑洞的总能量并遵守物理学原理,下落的粒子必须携带负能量(因此也携带负质量),而发射出的粒子必须具有正能量。通过这种方式,黑洞会发射一种现在称为霍金辐射的能量,随着时间的推移,这种逸出的正能量会耗尽它们,导致它们蒸发。
大约六年前,荷兰内梅亨拉德堡大学的天体物理学家海诺·法尔克开始更深入地思考这些过程中涉及的物理学——以及黑洞的事件视界是否是必要的组成部分。换句话说,这种蒸发是否会发生在其他物体上?“我问了一些专家,得到了非常不同的答案,”他回忆道。
法尔克求助于拉德堡大学的量子物理学家迈克尔·翁德拉克和数学家瓦尔特·范·苏伊勒科姆,再次审视这个问题。三人决定从一个非典型的角度来探讨这个话题。科学家们使用了来自一种称为施温格效应的相关现象的方程式,该效应描述了带电粒子和反粒子如何在强大的电磁场存在下从真空中出现时被撕裂。这个过程可以被认为类似于粒子对在黑洞事件视界处经历强大的引力。
研究人员的数学分析表明,任何有质量的物体——而不仅仅是像黑洞这样的超重物体——如何影响从空间真空中出现的粒子和反粒子对。科罗拉多大学博尔德分校研究理论天体物理学的博士生泰勒·麦克马肯说,用更像波的方式来说,这些粒子可以被认为具有关于它们可能在空间中位置的概率云。在没有任何外部力(电磁力或引力)的情况下,粒子和反粒子的云会重叠,并且它们会互相湮灭。但是,如果引力或其他某种力对一个云的拉力大于另一个云,则每个云都会略微移动。它们不会重叠,因此不会被湮灭。相反,它们会产生辐射,很像从黑洞事件视界抛出的粒子。
该团队最近发表在Physical Review Letters上的计算表明,任何有引力的物体(基本上意味着宇宙中的每个物体)都会发出类似霍金辐射的辐射,并最终蒸发。这些方程式表明,这个过程将需要数万亿年的时间,因此您和您的个人物品很可能在这个效应发挥作用之前就早已消失了。但是,如果这种现象是真实的,那么白矮星和中子星等已死亡恒星的长寿命残骸(具有巨大的质量)的寿命可能会缩短。
麦克马肯说,这项分析似乎很有希望,但他并没有参与这项工作。“这表明,确实存在某种效应,即粒子仅在真空中的引力作用下就可以被撕裂,”他补充道。麦克马肯和他的同事们曾考虑进行类似的计算,他说,因此他很高兴科学家们对这些情况进行了彻底的检查,以了解会发生什么。
但其他研究人员不同意。“就我个人而言,我对之前关于粒子在大型物体附近会发生什么的所有计算都是错误的持怀疑态度,”慕尼黑数学哲学中心的理论物理学家萨宾·霍森菲尔德说。她怀疑,更仔细的分析会表明,粒子-反粒子对实际上不会从黑洞以外的大型物体辐射出来。
目前的技术不够灵敏,无法检测到这种蒸发效应,也无法以某种方式或另一种方式证明这一新主张。法尔克和他的团队建议,进一步的实验可以侧重于观察施温格效应(目前也仍然是理论上的),以可能支持他们的主张。