無法從黑洞中逃逸嗎？

■ 楊孝文

現(xiàn)有理論認(rèn)為，沒有任何東西能夠從黑洞中逃逸出來，即使光也不例外。然而，真的是“沒有任何東西”嗎？其實(shí)，說“幾乎沒有”應(yīng)該更準(zhǔn)確一些。要說明這一點(diǎn)，首先要了解兩個(gè)名詞，一個(gè)叫“勢(shì)壘”，一個(gè)叫“量子隧道效應(yīng)”。勢(shì)壘就是勢(shì)能比附近的勢(shì)能都高的空間區(qū)域，而量子隧道效應(yīng)是由微觀粒子波動(dòng)性所確定的量子效應(yīng)，又稱勢(shì)壘貫穿。粒子的運(yùn)動(dòng)過程中若遇到一個(gè)高于粒子能量的勢(shì)壘，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過勢(shì)壘的；但按照量子力學(xué)，則可以解出除了在勢(shì)壘處的反射外，還有透過勢(shì)壘的波函數(shù)，這表明在勢(shì)壘的另一邊粒子具有一定的概率，即粒子可以貫穿勢(shì)壘。

經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，物體越過勢(shì)壘有一閾值能量，粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去；如果坡很高，不蹬自行車到半路就會(huì)停住，然后退回去。量子力學(xué)則認(rèn)為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢(shì)壘，一部分粒子被反彈，但還是會(huì)有一些粒子能過去，好像有一個(gè)隧道，故名隧道效應(yīng)。

在亞原子世界，沒有什么障礙（勢(shì)壘）是不可逾越的。這些粒子偶爾也會(huì)經(jīng)由量子隧道越過障礙，即使黑洞也無法避免這種情況發(fā)生。因此，有人認(rèn)為所有黑洞都發(fā)出異常微弱的光，這種光被稱為“霍金輻射”。

美國科羅拉多大學(xué)的天體物理學(xué)家安德魯·漢密爾頓說：“在黑洞表面內(nèi)部，空間下陷的速度比光還快，因此如果運(yùn)行速度不比光快，任何東西都無法穿越黑洞表面。但是從量子力學(xué)考慮，黑洞內(nèi)部的一些東西逃逸出來并非不可能?！比欢?，想達(dá)到這個(gè)目的需要非常特殊的條件。除了量子隧道之外，量子力學(xué)也允許粒子越過黑洞表面。事實(shí)上，這種量子起伏隨時(shí)都能發(fā)生：真空環(huán)境會(huì)自然產(chǎn)生粒子—反粒子對(duì)，不過它們通常會(huì)立刻湮滅對(duì)方。

粒子要想從黑洞中逃逸出來，量子起伏必須在黑洞邊緣附近發(fā)生。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，粒子會(huì)在反粒子湮滅它前迅速從黑洞里逃逸出來，而反粒子則會(huì)立刻被黑洞捕獲，并在墜入黑洞中心時(shí)被拉長。為了讓這種戲劇性的分離場(chǎng)面發(fā)生，粒子產(chǎn)生的量子起伏必須擁有非常長的波長。這聽起來可能很奇怪。量子力學(xué)稱所有粒子都是波，因此，它們的波長是兩個(gè)連續(xù)波峰之間的距離。特定粒子移動(dòng)的速度越慢，波長就越長。

漢密爾頓表示，由量子起伏產(chǎn)生并擁有“與黑洞相匹配的波長的粒子能夠從黑洞里逃逸出來。這是因?yàn)樗鼈儾粫?huì)被局限在一個(gè)地方，它們會(huì)不停地運(yùn)動(dòng)”。從早期類推來看，這些粒子特別像幽靈，它們巨大的波長使它們可以自由徜徉于黑洞邊界以外的區(qū)域。漢密爾頓說：“霍金輻射擁有與黑洞表面相匹配的典型波長?！庇捎诤诙次挥谖覀冦y河系的中心，因此能夠從黑洞中逃逸出來的粒子的波長大約是太陽半徑的14倍。對(duì)超級(jí)黑洞來說，粒子要想從中逃逸出去，它的波長必須是太陽半徑的幾十億倍。

可能你已經(jīng)猜到，符合逃出黑洞所需標(biāo)準(zhǔn)的粒子并不多。即使是最明亮的黑洞，它們的亮度也非常非常弱。漢密爾頓表示，這種輻射會(huì)被太空里其他天體發(fā)出的光完全淹沒，因此科學(xué)家至今仍未發(fā)現(xiàn)霍金輻射。盡管如此，他們確信這種輻射確實(shí)存在?！盎艚疠椛浔徽J(rèn)為是關(guān)于量子引力的一個(gè)最合理的預(yù)測(cè)?！睗h密爾頓說。