黑洞最終會變成什麼?電磁力與引力平衡之美

2020-12-04 關注未來世界

#科學了不起#

物理學家總喜歡探索各種「極限」的情況,他們總是樂於發現一些經典的理論在這些「極限」的情況下居然不好用了,這時物理學就變得活躍起來,開始醞釀新的理論。黑洞就是這樣一種「極端」情況,雖然它離我們的生活很遠,但是它在物理學家眼中格外迷人。它的內部構造極為緻密,引力極強,甚至割裂了連續的時空曲線,打破了愛因斯坦的方程。

物理學家們想知道關於黑洞的一切——它是如何形成的?它的密度這麼大,物質被壓縮後是如何排列的?黑洞會衰亡嗎?

1974年,英國物理學家史蒂芬·霍金推算,黑洞表面的「量子抖動」會導致物質蒸發,黑洞的生長受到限制;與此同時,黑洞會向外輻射熱量而慢慢收縮。

當收縮到一定程度時,黑洞不再收縮。一方面,此時黑洞的表面太小了,蒸發得很慢,另一方面,黑洞終其一生往往都吞噬過一些帶電的物體,所以它也帶電。同性電荷之間相互相斥,產生的電磁力與引力相牴觸,阻礙黑洞的收縮。黑洞的質量決定了它能長到多大,而黑洞的電荷決定了它能縮到多小。當電磁力與引力勢均力敵時,黑洞達到一種暫時的平衡狀態,科學家把這時的黑洞稱為「極值黑洞」

有一部分科學家認為,所有黑洞在以霍金理論描述的方式充分蒸發後,都會變成極值黑洞。因此在很久很久以後,宇宙中將到處都是這種黑洞殘骸,它們很微小,但是堅不可摧。

而另一部分科學家則認為,儘管「極值黑洞」表面的霍金蒸發停止了,電磁力和引力也平衡了,但它並不會停止活動,而是會進一步衰變。

支持黑洞衰變的物理學家指出,黑洞有一個不能忽視的物理量是「熵」,它一般用來衡量物體內部混亂的程度。比方說,有一個整潔(低熵)的房間,很顯然,我們隨便挪動幾件擺設就會把房間弄亂;而另一個雜亂(高熵)的房間,隨意挪動物體時房間依舊是亂的。這反映了低熵容易變高熵,而高熵更穩定的「熵增原理」

「熵增原理」指出,宇宙永遠都趨向于越來越混亂。根據這個原理,極值黑洞也無法永遠保持穩定,它會進一步衰變,比如,它或許會分裂成兩個更小的黑洞。

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