黑洞是由分子组成的？

在《物理评论快报》发表的两篇论文中，兰州大学的两位教授魏绍文和刘以及他们在加拿大滑铁卢大学的合作者认为黑洞也是由分子组成的。

作为宇宙中最神秘的天体，黑洞通常被认为是一种扭曲的时空结构:所有的质量都集中在奇点，没有物质结构。然而，两位中国科学家对黑洞提出了完全不同的观点。兰州大学的魏绍文教授和刘教授以及他们在加拿大滑铁卢大学的合作者已经建立了一个全新的物理概念:黑洞也是由分子组成的，发表在《物理评论快报1]和2]的两篇论文中。

张华

黑洞的内部结构

在我们的日常生活中，我们看到的所有物体都是由物质结构构成的。例如，泡泡茶是由珍珠和奶茶组成的，而酒是由水分子和乙醇分子组成的。

所以，问题来了:黑洞是由什么组成的？

传统广义相对论认为黑洞内部没有物质结构。换句话说，除了奇点，黑洞的内部是真空的，黑洞的质量集中在奇点上。几十年来，这个概念一直主导着物理学。试图改变这一概念的物理学家将会遇到各种理论上的困难。

但是另一方面，在黑洞的表面有“黑洞熵”。早在20世纪70年代，贝肯斯坦和霍金就已经证明了[3]和[4]黑洞表面的熵与黑洞的表面积成正比，而不是与黑洞内部的体积成正比。这是一个伟大的发展，因为在以前的传统物理学中，熵与体积成正比。

在玻尔兹曼著名的熵公式s = k lnw中，熵与微观状态数(w)的对数成正比。然而，对应于黑洞熵的微观状态数W是如何产生的呢？直到现在还没有答案。

另一方面，如果黑洞有内部结构，它内部也会有熵。这个熵是否与表面熵一致也是物理学中的一个前沿问题。

魏少文和刘认为黑洞里面有一种成分。他们认为，就像我们的房间里充满了空气分子一样，黑洞的内部也充满了一种“黑洞分子”——这些黑洞分子自然会给出统计物理意义上的黑洞微观状态数，因此黑洞的熵也可以计算出来。他们认为这种内部熵相当于黑洞表面的“贝肯斯坦-霍金熵”。

然而，一个更基本的问题是——为什么会有黑洞分子？刘·引用著名统计物理学家玻尔兹曼在接受《全球科学》采访时的话说:“如果一个物体能被加热，它必须有微结构。”

是的，霍金已经证明了黑洞有温度，所以黑洞可以被加热。当黑洞的质量减小时，它的温度升高。因此，如果玻尔兹曼的理论适用于黑洞，那么黑洞应该有微结构——这种微结构就是“黑洞分子”。

黑洞分子有多大？

这些构成黑洞的分子有多大？如果黑洞的半径是rh，普朗克长度是lp，那么黑洞的分子大小可以计算如下:

黑洞内部充满了大量的黑洞分子，这些分子给出了黑洞的熵。同时，这些黑洞分子也导致了一种新的物理现象，这就是所谓的“黑洞相变”。

早在2009年，物理学家卡斯特、雷和特拉申就在《经典和量子引力[5》杂志上发表了一篇论文。通过微分几何的方法，他们证明了在反德西特时空(一个具有最大对称性的时空，它的宇宙常数是一个负数)，为了保持黑洞的热力学定律成立，宇宙常数应该被视为黑洞的压力。

他们建立了黑洞中分子气压和反德西特时空中宇宙常数之间的对应关系:

在这个比例关系中，宇宙常数是负数，压力是正数。

我们知道气体的压力是可变的。如果它对应于压力，宇宙常数是可变的吗？答案是肯定的。在一些“更基本”的理论中，物理常数不是真正的常数，例如精细结构常数。宇宙常数的物理本质是真空的平均量子能量，这当然不是一个真正的常数。

两个方程之间的对应关系

2012年，物理学家库比兹纳克和曼在《高能物理杂志[6》上发表了一篇论文，指出在反德西时空中黑洞的压力P和黑洞的温度T以及黑洞的半径rh之间还有进一步的关系:

魏绍文和刘注意到，上述方程类似于大学物理中的范德瓦尔斯气体状态方程(虽然这两个方程在数学上并不严格相等，差别很小)。

范德瓦尔斯方程如下:

如果范德瓦尔斯气体状态方程中表示气体分子大小的常数B设为0，则这两个方程完全等价。

众所周知，范德瓦尔斯方程描述了从气体到液体的相变过程。结果，魏少文和刘推测黑洞会经历一个相变。在2015年的研究中，他们提出了黑洞的微观“分子”假说，认为黑洞内部实际上是一种流体，由这些黑洞分子组成的流体可以给出黑洞的微观结构。这个假设看起来很像100多年前玻尔兹曼提出的原子假设——尽管当时在实验中没有观察到原子，但玻尔兹曼相信原子的存在。

资料来源:量子杂志的马奇耶·雷比斯

相信未来

如果黑洞被认为是由黑洞分子组成的，不管这些黑洞分子是什么，它们的集体行为可以与流体的行为相比较。换句话说，这些“黑洞分子”就像“流体”一样存在于黑洞内部。当黑洞处于某一温度时，如果给定这些黑洞分子的压力(宇宙常数)，那么黑洞就会发生相变。这种相变被称为“大黑洞”和“小黑洞”的相变，也就是说，黑洞的大小可以突然改变。例如，一个大黑洞的体积可以突然缩小一半，变成一个小黑洞。

所谓的大黑洞和小黑洞质量不同。正如中子星和黑洞之间有一个临界质量——大于太阳质量3倍的中子星一定是黑洞，大黑洞和小黑洞之间也有一个质量分界线，这与宇宙常数的大小和黑洞本身的温度有关。

然而，应该指出的是，这种对应关系只适用于反德西特时空中的黑洞，那里有一个负的宇宙常数。在我们的时间和空间中，天文观测告诉我们宇宙常数应该是非负的。因此，这种关系不能直接应用于宇宙中的黑洞。我们空间中黑洞的内部是什么仍然很难计算。

也许，黑洞真的有微观结构，尽管我们还不知道组成黑洞的分子是什么，也不知道黑洞在一般的空间和时间是如何进行类似的研究的。然而，黑洞也是由分子组成的猜想有一天会被证明或证伪，使我们相信未来的眼睛。

参考链接:

【1】魏少伟和刘永兴，洞察微观

从热力学角度看AdS黑洞的结构

相变，物理列特牧师。115，111302(2015)；

【2】带电反德西特黑洞微观结构的排斥相互作用和普适性邵，刘玉晓，罗伯特·曼物理评论快报123，071103 (2019)

勘误表，列特物理学报。116，169903(E) (2016)。

D.库比兹纳克和曼，带电粒子的临界性

AdS黑洞，高能物理学杂志，07 (2012) 033。

【3】霍金，黑洞创造粒子，社区。

数学。物理43，199 (1975)。

【4】贝肯斯坦，《黑洞与第二定律》，列特。Nuovo

西门托4，737 (1972)。

【AdS黑洞的焓和力学

【6】带电AdS黑洞的P-V临界性