无法从黑洞中逃逸吗？

■ 杨孝文

现有理论认为，没有任何东西能够从黑洞中逃逸出来，即使光也不例外。然而，真的是“没有任何东西”吗？其实，说“几乎没有”应该更准确一些。要说明这一点，首先要了解两个名词，一个叫“势垒”，一个叫“量子隧道效应”。势垒就是势能比附近的势能都高的空间区域，而量子隧道效应是由微观粒子波动性所确定的量子效应，又称势垒贯穿。粒子的运动过程中若遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；但按照量子力学，则可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边粒子具有一定的概率，即粒子可以贯穿势垒。

经典物理学认为，物体越过势垒有一阈值能量，粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去；如果坡很高，不蹬自行车到半路就会停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子被反弹，但还是会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应。

在亚原子世界，没有什么障碍（势垒）是不可逾越的。这些粒子偶尔也会经由量子隧道越过障碍，即使黑洞也无法避免这种情况发生。因此，有人认为所有黑洞都发出异常微弱的光，这种光被称为“霍金辐射”。

美国科罗拉多大学的天体物理学家安德鲁·汉密尔顿说：“在黑洞表面内部，空间下陷的速度比光还快，因此如果运行速度不比光快，任何东西都无法穿越黑洞表面。但是从量子力学考虑，黑洞内部的一些东西逃逸出来并非不可能。”然而，想达到这个目的需要非常特殊的条件。除了量子隧道之外，量子力学也允许粒子越过黑洞表面。事实上，这种量子起伏随时都能发生：真空环境会自然产生粒子—反粒子对，不过它们通常会立刻湮灭对方。

粒子要想从黑洞中逃逸出来，量子起伏必须在黑洞边缘附近发生。当这种情况出现时，粒子会在反粒子湮灭它前迅速从黑洞里逃逸出来，而反粒子则会立刻被黑洞捕获，并在坠入黑洞中心时被拉长。为了让这种戏剧性的分离场面发生，粒子产生的量子起伏必须拥有非常长的波长。这听起来可能很奇怪。量子力学称所有粒子都是波，因此，它们的波长是两个连续波峰之间的距离。特定粒子移动的速度越慢，波长就越长。

汉密尔顿表示，由量子起伏产生并拥有“与黑洞相匹配的波长的粒子能够从黑洞里逃逸出来。这是因为它们不会被局限在一个地方，它们会不停地运动”。从早期类推来看，这些粒子特别像幽灵，它们巨大的波长使它们可以自由徜徉于黑洞边界以外的区域。汉密尔顿说：“霍金辐射拥有与黑洞表面相匹配的典型波长。”由于黑洞位于我们银河系的中心，因此能够从黑洞中逃逸出来的粒子的波长大约是太阳半径的14倍。对超级黑洞来说，粒子要想从中逃逸出去，它的波长必须是太阳半径的几十亿倍。

可能你已经猜到，符合逃出黑洞所需标准的粒子并不多。即使是最明亮的黑洞，它们的亮度也非常非常弱。汉密尔顿表示，这种辐射会被太空里其他天体发出的光完全淹没，因此科学家至今仍未发现霍金辐射。尽管如此，他们确信这种辐射确实存在。“霍金辐射被认为是关于量子引力的一个最合理的预测。”汉密尔顿说。