光為何無(wú)法逃離黑洞

如果一顆恒星的質(zhì)量是我們太陽(yáng)的10~50倍，即便它成為了中子星，引力仍然會(huì)繼續(xù)壓縮它，沒(méi)有了聚變力來(lái)抵抗引力的拉拽，就無(wú)法阻止這顆恒星的最終坍縮，那么它最終會(huì)變成什么？

專欄

深層解讀相對(duì)論的前世今生！

作者：宇宙探索

199幣

52人已購(gòu)

查看

在愛(ài)因斯坦的現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，它預(yù)言了宇宙空間內(nèi)應(yīng)該存在這樣一種密度極大體積極小的天體。著名天文學(xué)家史瓦西通過(guò)對(duì)愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的求解證實(shí)了宇宙中存在這樣的天體。

后來(lái)惠勒將其命名為“黑洞”用來(lái)取代以前“引力完全塌縮的星球”這一冗長(zhǎng)的稱呼。黑洞一詞立刻因其簡(jiǎn)潔明了地描述了這類天體的性質(zhì)，而被大家廣泛接受。

“原子彈之父”奧本海默曾這樣描述黑洞：

光速是一切具有靜止質(zhì)量的物體所不能到達(dá)的速度極限嗎？那么為什么光會(huì)無(wú)法逃離黑洞，因?yàn)楹诙吹奶右菟俣瘸^(guò)了光速。

專欄

深層解讀量子力學(xué)的前世今生

作者：宇宙探索

199幣

96人已購(gòu)

查看

我們知道，所有的天體都有一個(gè)所謂的逃逸速度——即永久逃離這個(gè)天體引力所必須具有的最小速度。譬如，航天飛船要脫離地球，那么它的初速度就要大于地球的逃逸速度即11.2公里/秒。逃逸速度取決于星球的質(zhì)量。如果一個(gè)星球的質(zhì)量大，其引力就強(qiáng)，逃逸速度值就高。反之一個(gè)較輕的星球?qū)?huì)有較小的逃逸速度。逃逸速度還取決于物體與星球中心的距離。距離越近，逃逸速度越大。地球的逃逸速度是11.2公里/秒，太陽(yáng)的逃逸速度為617.7公里/秒。

需要注意的是，逃逸速度是指從黑洞跑出來(lái)的速度，并不是黑洞移動(dòng)的速度。也就是說(shuō)你需要用多快的速度才能從黑洞中跑出來(lái)，正是因?yàn)楣馑偈且磺芯哂徐o止質(zhì)量的物體所不能到達(dá)的速度極限，而黑洞的逃逸速度又超過(guò)光，所以光沒(méi)有辦法逃出黑洞，因?yàn)橛钪嬷袥](méi)有速度超過(guò)光的事物存在。

逃逸速度的計(jì)算依據(jù)正是牛頓的萬(wàn)有引力定律，這個(gè)定律事實(shí)上給出了逃逸速度與恒星質(zhì)量之間的精確關(guān)系，正是因?yàn)榭茖W(xué)家知道了逃逸速度的存在，才能制造出航天器，從而飛出地球。

也正是因?yàn)楣鉄o(wú)法從黑洞中逃離，所以人類無(wú)法直接觀測(cè)到黑洞。而全世界首張黑洞的照片是用事件視界望遠(yuǎn)鏡直接長(zhǎng)時(shí)間曝光拍攝了10天，經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的后期處理和分析獲得的，

事件視界望遠(yuǎn)鏡并不是一個(gè)傳統(tǒng)觀念的觀測(cè)平臺(tái)，而是由位于美國(guó)、墨西哥、智利、法國(guó)、格陵蘭島和南極的天線組成觀測(cè)陣列，它主要負(fù)責(zé)對(duì)銀河系中央的人馬座A *黑洞進(jìn)行觀測(cè)，捕捉黑洞周圍環(huán)境的清晰圖像。

光都無(wú)法逃脫，那信息還能留存嗎

1972年，以色列物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦發(fā)現(xiàn)，黑洞球形事件視界占據(jù)的區(qū)域?qū)?yīng)于它的“熵”。這是黑洞內(nèi)全部粒子所有可能的微觀排列方式的數(shù)量，或者就像現(xiàn)代理論物理學(xué)家描述的那樣，熵是黑洞存儲(chǔ)信息的能力。

貝肯斯坦的見(jiàn)解讓史蒂芬·霍金在兩年后認(rèn)識(shí)到，黑洞是有溫度的，因此它會(huì)輻射出熱量。這種輻射會(huì)導(dǎo)致黑洞慢慢蒸發(fā)掉，1975年，霍金稱自己通過(guò)計(jì)算得出結(jié)論，他認(rèn)為黑洞在形成過(guò)程中，其質(zhì)量減少的同時(shí)還不斷在以能量的形式向外界發(fā)出輻射。這就是我們前面剛剛提到的的“霍金輻射”理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中并不包括黑洞內(nèi)部物質(zhì)的任何信息，一旦這個(gè)黑洞濃縮并蒸發(fā)消失后，其中的所有信息就都隨之消失了，根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，信息從我們的這個(gè)宇宙中消失，似乎是不可避免的結(jié)果。這便是廣受熱議的“黑洞信息悖論”。

霍金認(rèn)為任何被黑洞吸入的物質(zhì)會(huì)永久消失

該悖論提出了一個(gè)疑問(wèn)：那些落入黑洞的信息發(fā)生了什么？

如果你燃燒兩本大小相同的書(shū)但有不同的內(nèi)容，可能實(shí)際上無(wú)法重建任何一本書(shū)的文字，紙張上的墨水圖案，分子結(jié)構(gòu)的變化以及其他微小差異都包含信息，并且該信息仍然編碼在煙霧，灰，周圍空氣和所有其他正在傳播的粒子。如果能夠以任意精確的方式監(jiān)控書(shū)籍周圍的環(huán)境并包括書(shū)本，就能夠重新構(gòu)建你想要的所有信息，信息會(huì)混亂，但不會(huì)丟失。然而黑洞信息悖論是：在黑洞視界上留下的所有信息一旦蒸發(fā)，在我們可觀測(cè)宇宙（即哈勃體積直徑約1000億光年）中不會(huì)留下任何痕跡（故不能被重建）。

物質(zhì)進(jìn)入黑洞

在當(dāng)時(shí)“黑洞悖論”觀點(diǎn)受到了量子物理學(xué)者的質(zhì)疑，科學(xué)家們認(rèn)為被黑洞“吞掉”的物質(zhì)的信息最終將會(huì)隨黑洞一起消失，在量子物理的角度上是無(wú)法解釋的。量子力學(xué)稱，宇宙保留了有關(guān)過(guò)去的所有信息。這種信息丟失應(yīng)該被量子力學(xué)的規(guī)則所限制，任何系統(tǒng)都可以用量子波函數(shù)來(lái)描述，每個(gè)波函數(shù)都是唯一的。如果在時(shí)間上發(fā)展量子系統(tǒng)，兩種不同的系統(tǒng)不可能達(dá)到相同的最終狀態(tài)。

波函數(shù)

也就是說(shuō)在黑洞信息悖論里有一件事情是必須發(fā)生的：

1、當(dāng)黑洞蒸發(fā)時(shí)，任何信息都會(huì)以某種方式被破壞，告訴我們有關(guān)于黑洞蒸發(fā)的新規(guī)則和規(guī)律（霍金的觀點(diǎn)，符合愛(ài)因斯坦的相對(duì)論）

2、或者釋放出的輻射包含了這些信息、這意味著霍金輻射比我們迄今為止所做的計(jì)算還要多。（其他量子物理學(xué)者的觀點(diǎn)）

為此，30年來(lái)學(xué)術(shù)界一直存在著爭(zhēng)論。說(shuō)通俗一些就是霍金認(rèn)為被吸入黑洞的物體會(huì)真正在外部世界“消失”，不留一點(diǎn)痕跡，即使黑洞蒸發(fā)了，也不會(huì)再出現(xiàn)。而量子物理學(xué)者則認(rèn)為物質(zhì)的形式可以相互轉(zhuǎn)換，但不可能完全消失。

而這正是愛(ài)因斯坦的相對(duì)論與量子力學(xué)的又一次激烈交鋒！

由此霍金和加州理工學(xué)院理論物理學(xué)家約翰·普瑞斯基爾進(jìn)行了20世紀(jì)最為著名的一次打賭：輸者向勝利者提供一部百科全書(shū)，從百科全書(shū)中可以隨意再現(xiàn)信息。

黑洞信息悖論由此被稱為”跨世紀(jì)的十大物理問(wèn)題”，被科學(xué)界廣為關(guān)注。

為了解釋黑洞里的信息去哪里了，為什么會(huì)消失，霍金提出黑洞可能可以通往另一個(gè)宇宙空間，這正好可以用來(lái)解釋被黑洞吞噬的物質(zhì)和能量去了哪里，然而這個(gè)解釋并沒(méi)有得到科學(xué)界的認(rèn)可。

到了2004年，霍金的態(tài)度令人吃驚的逆轉(zhuǎn)，他在都柏林舉行的“第17界國(guó)際廣義相對(duì)論和萬(wàn)有引力大會(huì)”上，他表示自己對(duì)有關(guān)信息，問(wèn)題的看法錯(cuò)了他重新的進(jìn)行了某些他早期的計(jì)算，得出結(jié)論說(shuō)，“（黑洞里）沒(méi)有我曾設(shè)想過(guò)的子宇宙分支，物質(zhì)信息仍然牢牢地保存在我們這個(gè)宇宙里。我很遺憾這讓科幻迷們失望了，但如果物質(zhì)信息被保存了，（我們）就不可能利用黑洞去別的宇宙空間旅行?！?/p>

“如果你跳進(jìn)一個(gè)黑洞，你的物質(zhì)能量將以一種'被撕裂'的形式返回到我們的宇宙中，其中包含你以前的信息，但是已經(jīng)處于無(wú)法辨認(rèn)的狀態(tài)。”

2004年，霍金在柏林發(fā)表自己對(duì)于黑洞信息悖論的最新看法

雖然霍金自敗賭局，然而關(guān)于黑洞信息悖論的爭(zhēng)議卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，關(guān)于黑洞中信息的結(jié)局還需要科學(xué)家進(jìn)一步確認(rèn)。

但這一悖論實(shí)實(shí)在在地暴露了廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的不協(xié)調(diào)性，黑洞中一定蘊(yùn)藏著更為奇特的物理學(xué)規(guī)律。如何找到兩者的相同點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)量子力學(xué)與相對(duì)論的大融合，而這也成為了許多弦理論科學(xué)家探索的目標(biāo)。

媒體來(lái)源：UFO之家看點(diǎn)號(hào)