解家江

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南271104）

電荷守恒定律作為基礎(chǔ)物理定律之一, 在科技實(shí)踐應(yīng)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(jiàn)研究報(bào)導(dǎo)。為了解答黑洞對(duì)電荷守恒定律的影響,設(shè)想一個(gè)思想實(shí)驗(yàn),讓電荷通過(guò)黑洞事件視界進(jìn)入黑洞,觀測(cè)發(fā)生的結(jié)果,從而導(dǎo)出相關(guān)的結(jié)論。

1 電荷守恒定律

電荷守恒定律是物理學(xué)基本定律之一, 它指出電荷既不會(huì)創(chuàng)生,也不會(huì)消滅,只能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分;在轉(zhuǎn)移過(guò)程中,電荷的總量保持不變。對(duì)于一個(gè)孤立系統(tǒng),不論發(fā)生什么變化,其中所有電荷的代數(shù)和永遠(yuǎn)保持不變。如果某一區(qū)域中的電荷增加或減少了,那么必定有等量的電荷進(jìn)入或離開(kāi)該區(qū)域; 如果在一個(gè)物理過(guò)程中產(chǎn)生或消失了某種電荷, 那么必定有等量的異號(hào)電荷同時(shí)產(chǎn)生或消失。推而廣之,電荷守恒定律表明:整個(gè)宇宙的總電荷量保持不變,不會(huì)隨著時(shí)間的演進(jìn)而改變[1]。因?yàn)檫@個(gè)定律是從大量實(shí)驗(yàn)中概括得出的自然界的基本規(guī)律, 所以大家堅(jiān)信它對(duì)宏觀現(xiàn)象、微觀現(xiàn)象都適用,對(duì)所有慣性參考系都成立,到目前為止人們還沒(méi)有觀測(cè)到在一般的物理?xiàng)l件下電荷守恒定律被破壞的現(xiàn)象。

但是通過(guò)深入分析黑洞的性質(zhì)將發(fā)現(xiàn), 黑洞中的極端條件,將導(dǎo)致電荷守恒定律的破壞。

2 關(guān)于黑洞的特性

愛(ài)因斯坦在1915 年創(chuàng)立了廣義相對(duì)論,1916 年發(fā)表了其理論成果。廣義相對(duì)論是關(guān)于引力的一種幾何理論,其著名的數(shù)學(xué)方程式:Rμν-1/2Rgμν=8πG/c4Tμν將質(zhì)量、能量和時(shí)空的特性緊緊聯(lián)結(jié)在一起。該理論認(rèn)為,引力是由空間——時(shí)間彎曲的幾何效應(yīng)的畸變引起[2],它直接推導(dǎo)出某些大質(zhì)量恒星會(huì)終結(jié)為一個(gè)黑洞。1916 年,德國(guó)物理學(xué)家史瓦西給出了廣義相對(duì)論的第一個(gè)嚴(yán)格解,描述了一種最簡(jiǎn)單的天體(靜止、不帶電、球?qū)ΨQ的天體)周圍的時(shí)空彎曲情況,并推導(dǎo)出了著名的史瓦西半徑公式：

指出如果星體的實(shí)際半徑比它的史瓦西半徑小, 那么它就會(huì)變成一個(gè)黑洞[3]。黑洞有一個(gè)奇點(diǎn),黑洞的所有質(zhì)量都集中在這個(gè)奇點(diǎn)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(qiáng), 即便是光, 也無(wú)法從黑洞的事件視界向外逃逸出去。

物理學(xué)家、天文學(xué)家通過(guò)長(zhǎng)期的理論研究,陸續(xù)推導(dǎo)出了幾種類型的黑洞, 即靜止的既不具有角動(dòng)量也不帶電荷的史瓦西型黑洞、自轉(zhuǎn)的(具有角動(dòng)量)的不攜帶電荷的克爾型黑洞、攜帶電荷但不具有角動(dòng)量的R-N 型黑洞以及既攜帶電荷又具有角動(dòng)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(wú)毛定理”,表示黑洞除了質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷,黑洞不再具有其它性質(zhì),也就是說(shuō),靜態(tài)黑洞外面的觀察者,描述黑洞只需要質(zhì)量、角動(dòng)量、電荷這三個(gè)物理參數(shù)即可[4]。不過(guò)史蒂芬·霍金2013 年11 月21 日又認(rèn)為, 黑洞不會(huì)將進(jìn)入其邊界的物體的信息淹沒(méi),反而會(huì)將這些信息“撕碎”后釋放出去。

2005 年5 月“雨燕”“天文衛(wèi)星”通過(guò)記錄兩顆中子星碰撞產(chǎn)生的伽馬射線暴和逃出的X 射線,聽(tīng)到了“黑洞誕生的啼哭”。

2019 年4 月10 日,多個(gè)國(guó)家天文學(xué)家聯(lián)合公布了黑洞直接觀測(cè)的圖像,被“拍照”黑洞位于室女座一個(gè)巨型橢圓星系M87的中心,距離地球5500 萬(wàn)光年,質(zhì)量約為太陽(yáng)的65 億倍[5]。這一圖片使黑洞進(jìn)一步得以證實(shí)。

2020 年諾獎(jiǎng)得主安德里亞·蓋茨、賴因哈德·根策爾、羅杰·彭羅斯研究測(cè)量了銀河系一個(gè)超大質(zhì)量黑洞強(qiáng)大引力對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α 的影響。認(rèn)為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α 的變化與引力勢(shì)的變化成正比。但就目前而言,在時(shí)間、空間和引力下,測(cè)得的α 值的變化仍太小或存在不確定性, 因而還無(wú)法指導(dǎo)物理學(xué)家轉(zhuǎn)向新的理論[6]。

但這些黑洞研究成果能夠真實(shí)揭示黑洞的全部秘密嗎?

需要高度關(guān)注黑洞的極強(qiáng)引力場(chǎng),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(zhì),現(xiàn)代物理理論指出,電荷在其周圍形成虛光子場(chǎng),虛光子發(fā)射、吸收的統(tǒng)計(jì)效果就表現(xiàn)出電荷的荷電性。而虛光子的本性與普通光子的本性應(yīng)該是一致的。由于電荷在其周圍必然產(chǎn)生電場(chǎng),而電場(chǎng)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(guò)對(duì)電荷和磁荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)以及靜磁場(chǎng)進(jìn)行分析,獲得了兩個(gè)時(shí)空中與海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理一致的公式, 并獲得另一類型的波動(dòng)方程, 由此得到了與已知電磁波性質(zhì)相同的新的電磁波,新的電磁波呈現(xiàn)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(xiàn)在通過(guò)一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)考察一下帶電粒子落入黑洞中的情景。

假設(shè)一位觀測(cè)者位于一個(gè)黑洞的事件視界之外, 他擁有一宗含有M個(gè)電荷的物質(zhì)粒子,此時(shí)這些物質(zhì)粒子處于較正常的物理?xiàng)l件下,表現(xiàn)出正常的荷電性。然后他將這些含有M個(gè)電荷的物質(zhì)粒子送入事件視界以內(nèi),即進(jìn)入黑洞,他繼續(xù)觀測(cè)這些帶電粒子進(jìn)入黑洞后的變化, 他應(yīng)觀測(cè)到了黑洞質(zhì)量和角動(dòng)量的極其微小的變化(如果檢測(cè)技術(shù)足夠精細(xì)),他沒(méi)有檢測(cè)到來(lái)自黑洞內(nèi)的閃光(光子逃逸不出),那么那M個(gè)電荷呢?進(jìn)入事件視界內(nèi)的M個(gè)電荷的運(yùn)動(dòng)可能短時(shí)內(nèi)還會(huì)產(chǎn)生輻射,但處于事件視界外的觀測(cè)者觀測(cè)不到輻射, 電荷靜止?fàn)顟B(tài)的虛光子場(chǎng)中的虛光子也不能穿過(guò)事件視界到達(dá)外部空間, 所以處于事件視界外側(cè)的觀測(cè)者對(duì)進(jìn)入黑洞中的電荷已檢測(cè)不到。也就是說(shuō),對(duì)處于黑洞事件視界外的觀測(cè)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(nèi)部的物理過(guò)程目前還難以觀測(cè)、描述,所以還無(wú)法考證。但就外部的觀測(cè)結(jié)果來(lái)說(shuō),進(jìn)入黑洞事件視界內(nèi)的電荷消失了。

這一實(shí)驗(yàn)引起的直接后果是: 宇宙中減少了M個(gè)電荷。由此, 在一般物理?xiàng)l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(yuǎn)離黑洞事件視界的另一觀測(cè)者, 能夠觀測(cè)到圍繞黑洞的一些電磁現(xiàn)象,如伽馬射線暴、極強(qiáng)的X 射線的噴射等,這是處于黑洞事件視界外側(cè)的物質(zhì)的高速運(yùn)動(dòng)、摩擦、碰撞以及電荷高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的現(xiàn)象[8],必須將事件視界內(nèi)黑洞自身發(fā)生的物理過(guò)程與事件視界外側(cè)發(fā)生的物理過(guò)程區(qū)分開(kāi)來(lái)。

5 對(duì)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(diǎn)是都被認(rèn)為攜帶電荷。

R-N 型黑洞,不旋轉(zhuǎn)帶電荷的黑洞,由賴斯納(Reissner)和納自敦(Nordstrom)于1916 至1918 年根據(jù)廣義相對(duì)論求解出其時(shí)空結(jié)構(gòu),這種黑洞被認(rèn)為有內(nèi)、外兩個(gè)視界。

克爾- 紐曼型黑洞,旋轉(zhuǎn)且?guī)щ姾傻暮诙?時(shí)空結(jié)構(gòu)于1965年由紐曼求出, 這種結(jié)構(gòu)的黑洞被認(rèn)為視界和無(wú)限紅移面會(huì)分開(kāi),而且視界也會(huì)分為兩個(gè)(外視界r+和內(nèi)視界r-),無(wú)限紅移面也會(huì)分裂為兩個(gè)(rs+和rs-), 外視界和無(wú)限紅移面之間存在能層,內(nèi)視界以里不存在奇點(diǎn)而是奇環(huán)。

隨著這兩種類型的黑洞解的發(fā)表, 之后又有海量的論文對(duì)R-N 型黑洞和克爾- 紐曼型黑洞的結(jié)構(gòu)、演化進(jìn)行研究、闡述。但是,在此要問(wèn)的是,關(guān)于R-N 型和克爾- 紐曼型黑洞的所有研究,其研究的基礎(chǔ)前提牢靠嗎?

這兩種黑洞解的導(dǎo)出及其進(jìn)一步的研究, 在依據(jù)廣義相對(duì)論的同時(shí),已經(jīng)先驗(yàn)的認(rèn)定:(1)電荷在任何條件下都守恒;(2)黑洞已經(jīng)攜帶上了電荷。

然而,這種先驗(yàn)的認(rèn)定是有問(wèn)題的。

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

那么電荷——其攜帶的虛光子場(chǎng)(現(xiàn)代物理理論認(rèn)為虛光子發(fā)射、吸收的統(tǒng)計(jì)效果就表現(xiàn)出電荷的荷電性)會(huì)怎樣呢?欲“自由”的虛光子的能量也會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力場(chǎng)或引力子吸收,其結(jié)果不僅僅是在視界之外測(cè)量不到電荷,而是進(jìn)入黑洞的電荷也回很快被黑洞的強(qiáng)大引力場(chǎng)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(shí),不能使用互相矛盾的假設(shè)作為前提。

可靠的選擇應(yīng)是基于驗(yàn)證了的以下事實(shí)或理論:(1)廣義相對(duì)論;(2)已經(jīng)觀察到的黑洞的天文事實(shí),光子不能逃離黑洞,黑洞確實(shí)是黑的;(3)電荷及伴隨的電場(chǎng),也就是虛光子場(chǎng);(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(rèn)為R-N 型和克爾- 紐曼型黑洞不過(guò)是基于廣義相對(duì)論和假設(shè)黑洞已經(jīng)攜帶電荷利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行理論臆猜的結(jié)果。

到目前為止,在對(duì)黑洞的一系列觀測(cè)記錄文獻(xiàn)中,未見(jiàn)對(duì)某一黑洞自身(裸黑洞)的電荷量檢測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)告。

6 結(jié)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(shí)意味著整體規(guī)范不變性在黑洞極端條件下遭到破缺。

6.2“裸”黑洞不會(huì)攜帶電荷,霍金關(guān)于黑洞的“無(wú)毛定理”(即黑洞只有質(zhì)量、角動(dòng)量、電荷三個(gè)特性,黑洞所吞噬的物質(zhì)的其它特性會(huì)被全部抹去)還必須剪除一毛,在可檢測(cè)的黑洞的參數(shù)中取消電荷參數(shù)項(xiàng),黑洞可檢測(cè)的指標(biāo)只有質(zhì)量和角動(dòng)量。

6.3 宇宙中不存在R-N 黑洞和克爾- 紐曼黑洞。這會(huì)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(guò)程中不可避免攜帶了角動(dòng)量, 在恒星的成長(zhǎng)、演化過(guò)程中,即演進(jìn)為白矮星、中子星、黑洞的過(guò)程中,角動(dòng)量不會(huì)消失,所以史瓦西黑洞也不會(huì)存在,宇宙中只有克爾黑洞。

黑洞還會(huì)有哪些怪異的能力和表現(xiàn)，由于黑洞內(nèi)極端的物理?xiàng)l件難以模擬, 尚需要等待更普適的物理理論統(tǒng)一對(duì)包括黑洞在內(nèi)的物理對(duì)象的物理過(guò)程進(jìn)行表述。