無法從黑洞中逃逸嗎？

■ 楊孝文

現有理論認為，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，說“幾乎沒有”應該更準確一些。要說明這一點，首先要了解兩個名詞，一個叫“勢壘”，一個叫“量子隧道效應”。勢壘就是勢能比附近的勢能都高的空間區域，而量子隧道效應是由微觀粒子波動性所確定的量子效應，又稱勢壘貫穿。粒子的運動過程中若遇到一個高于粒子能量的勢壘，按照經典力學，粒子是不可能越過勢壘的；但按照量子力學，則可以解出除了在勢壘處的反射外，還有透過勢壘的波函數，這表明在勢壘的另一邊粒子具有一定的概率，即粒子可以貫穿勢壘。

經典物理學認為，物體越過勢壘有一閾值能量，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停住，然后退回去。量子力學則認為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子被反彈，但還是會有一些粒子能過去，好像有一個隧道，故名隧道效應。

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

美國科羅拉多大學的天體物理學家安德魯·漢密爾頓說：“在黑洞表面內部，空間下陷的速度比光還快，因此如果運行速度不比光快，任何東西都無法穿越黑洞表面。但是從量子力學考慮，黑洞內部的一些東西逃逸出來并非不可能?！比欢脒_到這個目的需要非常特殊的條件。除了量子隧道之外，量子力學也允許粒子越過黑洞表面。事實上，這種量子起伏隨時都能發生：真空環境會自然產生粒子—反粒子對，不過它們通常會立刻湮滅對方。

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生。當這種情況出現時，粒子會在反粒子湮滅它前迅速從黑洞里逃逸出來，而反粒子則會立刻被黑洞捕獲，并在墜入黑洞中心時被拉長。為了讓這種戲劇性的分離場面發生，粒子產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。量子力學稱所有粒子都是波，因此，它們的波長是兩個連續波峰之間的距離。特定粒子移動的速度越慢，波長就越長。

漢密爾頓表示，由量子起伏產生并擁有“與黑洞相匹配的波長的粒子能夠從黑洞里逃逸出來。這是因為它們不會被局限在一個地方，它們會不停地運動”。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。”由于黑洞位于我們銀河系的中心，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。對超級黑洞來說，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。

可能你已經猜到，符合逃出黑洞所需標準的粒子并不多。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，這種輻射會被太空里其他天體發出的光完全淹沒，因此科學家至今仍未發現霍金輻射。盡管如此，他們確信這種輻射確實存在?！盎艚疠椛浔徽J為是關于量子引力的一個最合理的預測。”漢密爾頓說。