試論黑洞對電荷守恒定律的破壞

解家江

（萊蕪鋼鐵集團有限公司，山東 濟南271104）

電荷守恒定律作為基礎物理定律之一, 在科技實踐應用中不斷得到證明, 但是在黑洞這種極端條件下電荷守恒定律是否成立目前鮮見研究報導。為了解答黑洞對電荷守恒定律的影響,設想一個思想實驗,讓電荷通過黑洞事件視界進入黑洞,觀測發生的結果,從而導出相關的結論。

1 電荷守恒定律

電荷守恒定律是物理學基本定律之一, 它指出電荷既不會創生,也不會消滅,只能從一個物體轉移到另一個物體,或者從物體的一部分轉移到另一部分;在轉移過程中,電荷的總量保持不變。對于一個孤立系統,不論發生什么變化,其中所有電荷的代數和永遠保持不變。如果某一區域中的電荷增加或減少了,那么必定有等量的電荷進入或離開該區域; 如果在一個物理過程中產生或消失了某種電荷, 那么必定有等量的異號電荷同時產生或消失。推而廣之,電荷守恒定律表明:整個宇宙的總電荷量保持不變,不會隨著時間的演進而改變[1]。因為這個定律是從大量實驗中概括得出的自然界的基本規律, 所以大家堅信它對宏觀現象、微觀現象都適用,對所有慣性參考系都成立,到目前為止人們還沒有觀測到在一般的物理條件下電荷守恒定律被破壞的現象。

但是通過深入分析黑洞的性質將發現, 黑洞中的極端條件,將導致電荷守恒定律的破壞。

2 關于黑洞的特性

愛因斯坦在1915 年創立了廣義相對論,1916 年發表了其理論成果。廣義相對論是關于引力的一種幾何理論,其著名的數學方程式:Rμν-1/2Rgμν=8πG/c4Tμν將質量、能量和時空的特性緊緊聯結在一起。該理論認為,引力是由空間——時間彎曲的幾何效應的畸變引起[2],它直接推導出某些大質量恒星會終結為一個黑洞。1916 年,德國物理學家史瓦西給出了廣義相對論的第一個嚴格解,描述了一種最簡單的天體(靜止、不帶電、球對稱的天體)周圍的時空彎曲情況,并推導出了著名的史瓦西半徑公式：

指出如果星體的實際半徑比它的史瓦西半徑小, 那么它就會變成一個黑洞[3]。黑洞有一個奇點,黑洞的所有質量都集中在這個奇點上,以史瓦西半徑為界,圍繞黑洞形成事件視界,黑洞引力如此之強, 即便是光, 也無法從黑洞的事件視界向外逃逸出去。

物理學家、天文學家通過長期的理論研究,陸續推導出了幾種類型的黑洞, 即靜止的既不具有角動量也不帶電荷的史瓦西型黑洞、自轉的(具有角動量)的不攜帶電荷的克爾型黑洞、攜帶電荷但不具有角動量的R-N 型黑洞以及既攜帶電荷又具有角動量的克爾- 紐曼型黑洞等幾種類型; 霍金和卡特爾還提出了黑洞的“無毛定理”,表示黑洞除了質量、角動量和電荷,黑洞不再具有其它性質,也就是說,靜態黑洞外面的觀察者,描述黑洞只需要質量、角動量、電荷這三個物理參數即可[4]。不過史蒂芬·霍金2013 年11 月21 日又認為, 黑洞不會將進入其邊界的物體的信息淹沒,反而會將這些信息“撕碎”后釋放出去。

2005 年5 月“雨燕”“天文衛星”通過記錄兩顆中子星碰撞產生的伽馬射線暴和逃出的X 射線,聽到了“黑洞誕生的啼哭”。

2019 年4 月10 日,多個國家天文學家聯合公布了黑洞直接觀測的圖像,被“拍照”黑洞位于室女座一個巨型橢圓星系M87的中心,距離地球5500 萬光年,質量約為太陽的65 億倍[5]。這一圖片使黑洞進一步得以證實。

2020 年諾獎得主安德里亞·蓋茨、賴因哈德·根策爾、羅杰·彭羅斯研究測量了銀河系一個超大質量黑洞強大引力對精細結構常數α 的影響。認為精細結構常數α 的變化與引力勢的變化成正比。但就目前而言,在時間、空間和引力下,測得的α 值的變化仍太小或存在不確定性, 因而還無法指導物理學家轉向新的理論[6]。

但這些黑洞研究成果能夠真實揭示黑洞的全部秘密嗎?

需要高度關注黑洞的極強引力場,它使光子不能從事件視界逃逸出黑洞。

3 電荷的荷電性

回顧一下電荷的本質,現代物理理論指出,電荷在其周圍形成虛光子場,虛光子發射、吸收的統計效果就表現出電荷的荷電性。而虛光子的本性與普通光子的本性應該是一致的。由于電荷在其周圍必然產生電場,而電場就是由虛光子形成的,就這一方面而言,虛光子不“虛”。

程智通過對電荷和磁荷產生的靜電場以及靜磁場進行分析,獲得了兩個時空中與海森堡測不準原理一致的公式, 并獲得另一類型的波動方程, 由此得到了與已知電磁波性質相同的新的電磁波,新的電磁波呈現一種波包的形式,具備局域性,可以看作是虛光子[7]。

4 帶電粒子落入黑洞的后果

現在通過一個思想實驗考察一下帶電粒子落入黑洞中的情景。

假設一位觀測者位于一個黑洞的事件視界之外, 他擁有一宗含有M個電荷的物質粒子,此時這些物質粒子處于較正常的物理條件下,表現出正常的荷電性。然后他將這些含有M個電荷的物質粒子送入事件視界以內,即進入黑洞,他繼續觀測這些帶電粒子進入黑洞后的變化, 他應觀測到了黑洞質量和角動量的極其微小的變化(如果檢測技術足夠精細),他沒有檢測到來自黑洞內的閃光(光子逃逸不出),那么那M個電荷呢?進入事件視界內的M個電荷的運動可能短時內還會產生輻射,但處于事件視界外的觀測者觀測不到輻射, 電荷靜止狀態的虛光子場中的虛光子也不能穿過事件視界到達外部空間, 所以處于事件視界外側的觀測者對進入黑洞中的電荷已檢測不到。也就是說,對處于黑洞事件視界外的觀測者,電荷被黑洞吞噬、消滅了。至于電荷在黑洞中是否被消解, 由于黑洞內部的物理過程目前還難以觀測、描述,所以還無法考證。但就外部的觀測結果來說,進入黑洞事件視界內的電荷消失了。

這一實驗引起的直接后果是: 宇宙中減少了M個電荷。由此, 在一般物理條件下成立的電荷守恒定律在黑洞中的極端條件下不再成立。

但是在遠離黑洞事件視界的另一觀測者, 能夠觀測到圍繞黑洞的一些電磁現象,如伽馬射線暴、極強的X 射線的噴射等,這是處于黑洞事件視界外側的物質的高速運動、摩擦、碰撞以及電荷高速運動產生的現象[8],必須將事件視界內黑洞自身發生的物理過程與事件視界外側發生的物理過程區分開來。

5 對R-N 型黑洞和克爾- 紐曼型黑洞的考察

這兩類黑洞的共同點是都被認為攜帶電荷。

R-N 型黑洞,不旋轉帶電荷的黑洞,由賴斯納(Reissner)和納自敦(Nordstrom)于1916 至1918 年根據廣義相對論求解出其時空結構,這種黑洞被認為有內、外兩個視界。

克爾- 紐曼型黑洞,旋轉且帶電荷的黑洞,時空結構于1965年由紐曼求出, 這種結構的黑洞被認為視界和無限紅移面會分開,而且視界也會分為兩個(外視界r+和內視界r-),無限紅移面也會分裂為兩個(rs+和rs-), 外視界和無限紅移面之間存在能層,內視界以里不存在奇點而是奇環。

隨著這兩種類型的黑洞解的發表, 之后又有海量的論文對R-N 型黑洞和克爾- 紐曼型黑洞的結構、演化進行研究、闡述。但是,在此要問的是,關于R-N 型和克爾- 紐曼型黑洞的所有研究,其研究的基礎前提牢靠嗎?

這兩種黑洞解的導出及其進一步的研究, 在依據廣義相對論的同時,已經先驗的認定:(1)電荷在任何條件下都守恒;(2)黑洞已經攜帶上了電荷。

然而,這種先驗的認定是有問題的。

首先黑洞其強大的引力場,不允許光子從視界逃逸,原因是光子的能量在還未到達視界前就被引力場逐漸剝奪至零, 引力場或引力子吸收了光子的能量。

那么電荷——其攜帶的虛光子場(現代物理理論認為虛光子發射、吸收的統計效果就表現出電荷的荷電性)會怎樣呢?欲“自由”的虛光子的能量也會被黑洞的強大引力場或引力子吸收,其結果不僅僅是在視界之外測量不到電荷,而是進入黑洞的電荷也回很快被黑洞的強大引力場消解、破壞。

R-N 型和克爾- 紐曼型黑洞, 作為黑洞一方面不允許光子自由逃逸視界,另一方面卻允許虛光子自由存在(也即電荷存在)并可從視界逃逸,邏輯上存在矛盾。在建立黑洞的理論模型時,不能使用互相矛盾的假設作為前提。

可靠的選擇應是基于驗證了的以下事實或理論:(1)廣義相對論;(2)已經觀察到的黑洞的天文事實,光子不能逃離黑洞,黑洞確實是黑的;(3)電荷及伴隨的電場,也就是虛光子場;(4)光子與虛光子在某些方面的相同性。

緣于這些理由, 因此認為R-N 型和克爾- 紐曼型黑洞不過是基于廣義相對論和假設黑洞已經攜帶電荷利用數學方法進行理論臆猜的結果。

到目前為止,在對黑洞的一系列觀測記錄文獻中,未見對某一黑洞自身(裸黑洞)的電荷量檢測數據的報告。

6 結論

6.1 電荷守恒定律被黑洞的極端條件破壞,黑洞使宇宙中電荷總量不斷減少。這同時意味著整體規范不變性在黑洞極端條件下遭到破缺。

6.2“裸”黑洞不會攜帶電荷,霍金關于黑洞的“無毛定理”(即黑洞只有質量、角動量、電荷三個特性,黑洞所吞噬的物質的其它特性會被全部抹去)還必須剪除一毛,在可檢測的黑洞的參數中取消電荷參數項,黑洞可檢測的指標只有質量和角動量。

6.3 宇宙中不存在R-N 黑洞和克爾- 紐曼黑洞。這會使幻想在黑洞中旅行的人們很失望。

6.4 由于恒星的形成過程中不可避免攜帶了角動量, 在恒星的成長、演化過程中,即演進為白矮星、中子星、黑洞的過程中,角動量不會消失,所以史瓦西黑洞也不會存在,宇宙中只有克爾黑洞。

黑洞還會有哪些怪異的能力和表現，由于黑洞內極端的物理條件難以模擬, 尚需要等待更普適的物理理論統一對包括黑洞在內的物理對象的物理過程進行表述。