浅谈掉进黑洞的后果之争

浅谈掉进黑洞的后果之争

发表时间：2018-12-31T22:36:59.410Z 来源：《文化研究》2018年第12月作者：乔聿尧

[导读] 黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体，黑洞与基本粒子和天体演化都有密切的联系。

新疆乌鲁木齐市第六十八中学 830011

摘要：黑洞是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体，黑洞与基本粒子和天体演化都有密切的联系。因此，黑洞问题一直是物理学研究的一大热点。假如宇航员掉进黑洞会发生什么，也是物理学界持续争论的话题。本文首先分析了黑洞的形成过程以及质量、密度和寿命等性质；然后简要阐述了目前广为争论的两大理论：撕裂理论和火墙理论；最后对这一广为争论的问题进行了总结。

关键词：黑洞；撕裂理论；火墙理论

引言

黑洞命题最早在十八世纪由英国地质学家米歇尔提出，后经爱因斯坦预言。黑洞问题是物理学上争论已久的热点问题，其很多奇特的性质至今还广受争议，由于黑洞无法直接被观测到，也增加了它的神秘感。而在黑洞内部会出现什么奇特的现象，更是一个广受争论的问题。本文则提出了一个有趣的问题：掉进黑洞会怎样？

1.黑洞的形成及性质

1.1 黑洞形成的过程

黑洞问题自提出以来，就在科学界引起了激烈的讨论。时至今日，黑洞仍然只是一个理论模型，近些年随着物理学的飞速发展，黑洞模型也在逐渐完善，经历了经典模型和量子模型两个阶段[1]。经典的黑洞模型表明，黑洞区域具有极强的引力场。而牛顿力学告诉我们，当天体的半径一定时，物质逃离这个天体所需要的速度和该天体的质量成正比。因此当天体质量无限大时，连光线都无法逃离该天体，就形成了黑洞。

尘埃和大量气体在自身引力之下，向内坍塌收缩形成一个恒星，如果质量过小，小于太阳质量的0.08倍，导致核心温度达不到启动氢核聚变的温度，最终就形成不了恒星。如果它们的核心处还可以进行氘核聚变，便可形成褐矮星, 褐矮星直到燃料燃烧殆尽前保持其形态不变。如果连褐矮星都形成不了，便只有被淘汰的命运，只能变成一颗行星，绕着其他的恒星运动。当一颗恒星度过主星系时，在引力作用下，质量和太阳一样的恒星将会坍塌成一个白矮星；质量是太阳10倍的恒星将会坍塌形成一个比白矮星密度更大的中子星；而质量是太阳30倍以上的恒星将会坍塌形成黑洞。星系中黑洞的形成过程分为两个阶段:第一阶段为有序化的“整肃”阶段，该阶段中，物质粒子在引力势能作用下出现了一个无序分布的粒子系状态，引力场作用形成了粒子的运动路径。第二阶段是无序化的“撞击”阶段，在“整肃”阶段粒子不断运动，因为黑洞的吸入形成了射入的运动路径，因此具备了撞击视界的动量。从热力学角度和引力场论、量子辐射的角度来研究，这两个阶段中星系黑洞的形成过程是一个熵减少的过程[2]。

1.2黑洞的质量

黑洞作为宇宙中的神秘天体，按其质量大小，主要可分为恒星级黑洞、超大质量黑洞以及中等质量黑洞三大类。前两类黑洞之普遍存在已为学界所公认。然而,人们对中等质量黑洞是否存在的问题则始终未达成共识。拉普拉斯和米歇尔是最早预言黑洞的人, 他们在两百年前就推导出了黑洞的质量和半径的关系式：R=其中，R是黑洞的半径；c=299792458米/秒，为光速；G=6.67259×/，G是引力常量；M为黑洞质量。

人类可观察的宇宙半径约为140亿光年，质量约为太阳质量的倍，所以宇宙的质量M=2.0×kg=2.0×kg。但是如果用上述的公式计算出来的M=9.0×kg，比宇宙现有的质量大了45倍。这不禁让人想起来暗物质，虽然其密度很小，但是因为其庞大的数量群导致总质量非常大。目前的观测条件有限，人类可观测到的物质大约仅有宇宙总物质量的5%，这只是冰山一角。寻找宇宙中的暗物质，仍然是天文学界不断努力的方向。

1.3黑洞的密度

我们这里说的密度指平均密度，依据牛顿的万有引力公式可知道视界的半径R满足下列公式：=由此可推出：R=。根据黑洞无毛定理，无论什么样的黑洞，其最终性质仅由质量、角动量和电荷这几个物理量确定。其大小和形状只取决于黑洞的质量和旋转速度。如果一个黑洞旋转速度为零，其形状是完美的球形;如果它的转速不为零，黑洞在赤道附近会鼓出去。于是可以把黑洞的形状近似的当成球形。 V=π

ρ==

由以上公式可以看出，黑洞的密度与其质量成反比。根据黑洞辐射的温度公式：T=，质量越大，内部温度越低。热力学第三定律表明：一个系统的温度，不能无限升高也不能无限降低。如果黑洞也遵循该定律，我们有理由推测，黑洞的内部温度不可能无限升高，那么黑洞的密度也不可能无穷大。

1.4黑洞的寿命

根据辐射温度公式，天体质量越大，辐射温度越低。当黑洞质量无穷大的时候，它将不再向外辐射温度，但实际这种情况是不存在的。因此，黑洞是有辐射的，也就是说它是有寿命的。此外，黑洞的寿命也与其蒸发有关。因为辐射的存在，黑洞会以极慢的速度蒸发，蒸发速度与黑洞的质量有关。黑洞质量越小，其辐射温度越高，蒸发速度也越快。但是目前看来，宇宙的背景辐射温度比最小恒星黑洞的辐射温度高得多，所以黑洞的质量会不断增加。当宇宙的辐射温度比黑洞辐射温度低的时候，黑洞的蒸发速度就会加快，质量也逐渐减小，最终结束生命[3]。

2.掉进黑洞的后果之争

2.1撕裂理论

公认的理论，当宇航员到达临界半径时，并没有产生什么感觉，甚至越过那永不会返回的边界时，都不会产生什么一样[4]。但随着他的逐渐深入，根据黑洞的形成过程，质量特征，密度特征来表述出黑洞具有强大的引力，会把靠近黑洞视界的物体吸进去，越靠近所受到的引力作用越强，巨大的引力会拉着他不停得下落，下落的速度越来越快。重力差产生影响，最终会把这位宇航员撕裂，吸入那密度无限大的黑洞里，并且永远不会再出来。在下落的过程中，掉入黑洞的宇航员看不到视界内的任何东西，他只会看到周围被强烈扭曲的光线。穿过视界时，他也更看不到黑洞内的景象，这是因为黑洞对其的潮汐作用的影响。总之，根据目前关于撕裂理论的研究成果，我们可以确

定的是，当宇航员掉进黑洞后，他会被拉成长条，直到最终被撕成碎片。

2.2火墙理论

随着量子学的不断发展，不少科学家对撕裂理论产生了质疑。信息熵法则告诉我们，物质的信息不可能突然消失。根据撕裂理论，宇航员被撕成碎片之后，他留存的信息又在哪里呢？基于此，科学家们又提出了火墙理论。在黑洞之中存在着一道看不见的墙，所有被吸入黑洞的物质都会经过这堵墙并被抹去自身的所有信息。根据自然界的能量守恒定律，能量不会凭空消失，一定会转换为其他能量。科学家们通过计算得出了这堵墙抹去物质信息的能量，所有的物质信息被抹去的瞬间，这些原有的能量会转化为巨大的热能，因此这堵墙的温度极高，“火墙”的名称因此而来。任何物质撞上这道“火墙”都会被瞬间烤焦，信息也被瞬间消除。通过这道“火墙”以后，可能还会有极少部分的物质信息有所剩余，但是在浩瀚的宇宙中，这些残余信息微不足道，基本可以认为是无信息状态。

2.3浅谈掉进黑洞的后果

“火墙”的想法动摇了大部分人所相信的黑洞理论的基础，但是也有科学家并不认同“火墙理论”，根据黑洞寿命推测，黑洞辐射达到一定温度后，黑洞就会不断蒸发并且其质量不断减小。当黑洞蒸发到完全消失时，这道看不见的“火墙”又该何去何从。不过就当前的研究结果来看，宇宙辐射温度远高于黑洞辐射温度，若要使黑洞辐射温度达到令其质量减小的地步，需要一个相当长的时间。黑洞辐射并不影响其内部的物质信息，当黑洞完全蒸发以后，内部信息就不知去向，这就是著名的“黑洞悖论”。针对这一悖论，物理学家们有两种想法：第一种是认为伴随着黑洞的消失，内部信息也会随之消失，但是这一想法与目前的量子法则相矛盾，如果认同这一想法，量子理论也需要有相应的更新；而另一种想法则坚持站在量子力学的角度，认为黑洞消失以后，内部信息依然存在，但是其存在状态仍需进一步研究。目前，我们可以得知，针对黑洞问题的研究并没有一个确切的结论。神秘的黑洞也涉及到了与光、磁、电有关的理论，甚至联系到了量子领域[5]。因此，掉进黑洞究竟会怎样，依旧是争议的热点，还需要我们不断努力去探索科学的真相。

参考文献

[1]李宗伟, 肖兴华. 天体物理学[M]. 北京高等教育出版社, 2000

[2]赵峥. 黑洞的热性质与时空奇异性[M]. 北京师范大学出版社, 1999.

[3]邱建杰. 黑洞温度修正与黑洞寿命的研究[D]. 广州大学, 2013.

[4]佚名. 掉进黑洞会怎样?[J]. 黑龙江科学, 2013, 4(9):13-13.

[5]李慧玲. 黑洞的量子效应和强引力场弯曲时空相关问题的研究[D]. 电子科技大学, 2018.