奇怪的数学术语改变了我们对黑洞的整体看法

　　黑洞一天比一天变得奇怪。当科学家们在 1970 年代首次确认这些庞然大物存在时，我们认为它们是非常简单的惰性尸体。然后，著名物理学家斯蒂芬霍金发现黑洞并不完全是黑色的，它们实际上会散发热量。现在，一对物理学家已经意识到，这种暗色物体也会对周围环境施加压力。

　　合著者之一、英国苏塞克斯大学物理学教授泽维尔·卡尔梅特(Xavier Calmet)在一份声明中说：“这种简单的非旋转黑洞既有压力又有温度的发现更加令人兴奋。”

　　Calmet 和他的研究生 Folkert Kuipers 正在研究黑洞事件视界附近的量子效应，这是非常难以确定的。为了解决这个问题，研究人员采用了一种技术来简化他们的计算。在他们工作时，他们解决方案的数学中出现了一个奇怪的术语。经过几个月的困惑，他们意识到这个新发现的术语意味着什么：它是黑洞产生的压力的一种表达。以前没有人知道这是可能的，它改变了科学家对黑洞及其与宇宙其他部分关系的看法。

　　20世纪70年代，霍金成为第一批应用量子力学来试图理解事件视界——黑洞周围没有任何东西，甚至光都无法逃脱的区域——发生了什么的物理学家之一。在这项工作之前，每个人都只是假设黑洞是简单的物体。根据广义相对论，首先提出黑洞可能存在的引力理论，事件视界并没有什么特别之处。事件视界是黑洞的“边界”，定义了离开黑色需要比光速更快的区域。但这只是一条想象中的空间线——如果你碰巧穿过它，你甚至不会知道自己已经穿过了，直到你试图转身离开。

　　霍金改变了这一切。他意识到量子泡沫，即在时空真空中不断出现和消失的粒子海洋，可以影响事件视界的简单视图。有时，时空真空中会自发地出现成对粒子，然后在一瞬间的能量中相互湮灭，使真空恢复到原来的状态。但是，当这种情况发生在离黑洞太近的地方时，其中一个可能会被困在事件视界后面，而另一个则逃脱。黑洞留下了逃逸粒子的能量账单，因此它必须失去质量。

　　这个过程现在被称为霍金辐射，正是通过这些计算，我们发现黑洞并不完全是 100％ 黑色的。它们会发光，这种辉光，被称为“黑体辐射”，意味着它们也有热量和熵（也称为“无序”）以及我们通常适用于更普通的物体（如冰箱和汽车发动机）的所有其他术语。

　　霍金专注于量子力学如何影响黑洞附近。但这并不是故事的全部。量子力学不包括引力，对事件视界附近发生的事情的完整描述必须包括量子引力，或者描述引力在微小尺度上的作用有多强。

　　自 1970 年代以来，许多物理学家在发展量子引力理论和将这些理论应用于事件视界物理学方面都尝试过运气。最新的尝试来自 Calmet 和 Kuipers 的这项新研究，该研究于 9 月发表在《物理评论 D》杂志上。

　　“霍金具有里程碑意义的直觉，即黑洞不是黑色，但其辐射光谱与黑体的辐射光谱非常相似，这使黑洞成为研究量子力学、引力和热力学之间相互作用的理想实验室。”卡尔梅特说。

　　在没有完整的量子引力理论的情况下，两人使用了一种称为有效场论或 EFT 的近似技术。这个理论假设量子水平的引力很弱——这个假设允许你在计算中取得一些进展，而不会让一切都分崩离析，就像当量子体系中的引力被建模为非常强时那样。虽然这些计算不会揭示事件视界的全貌，但它们可能会提供黑洞周围和内部的见解。

　　“如果你只考虑广义相对论中的黑洞，就可以证明它们的中心有一个奇点，我们知道它们的物理定律必须在那里崩溃。”卡尔梅特解释说。“希望当量子场论被纳入广义相对论时，我们或许能够找到对黑洞的新描述。”

　　Calmet 和 Kuipers 正在事件视界附近使用 EFT 探索黑洞的热力学时，他们注意到在他们的方程中出现了一个奇怪的数学术语。起初，这个词完全难倒了他们——他们不知道它的意思或如何解释它。但在 2020 年圣诞节那天的一次谈话中，情况发生了变化。

　　他们意识到方程中的术语代表压力。一种真实的、真实的压力。与热空气在上升的气球内部施加的压力或汽车发动机内部活塞上的压力相同。

　　“当我们意识到方程中的神秘结果告诉我们，我们正在研究的黑洞有压力的那一刻令人振奋。”Kuipers 回忆道。

　　这种压力几乎小得离谱，比地球上的标准气压小不到 10^54 倍。但它就在那里。他们还发现，压力可以是正的，也可以是负的，这取决于黑洞附近量子粒子的特定组合。正压力是使气球保持充气的压力，而负压力是您在拉伸的橡皮筋中感受到的张力。

　　他们的结果扩展了黑洞作为热力学实体的想法，不仅具有温度和熵，还具有压力。因为他们的工作只模拟了弱量子引力，而忽略了强引力，所以不能完全解释黑洞的行为，但这是重要的一步。

　　“我们的工作是朝着这个方向迈出的一步，尽管我们研究的黑洞施加的压力很小，但它的存在为天体物理学、粒子物理学和量子物理学的研究开辟了多种新的可能性。”卡尔梅特总结道。