天文学论文--- 《浅谈黑洞》

浅谈黑洞

爱因斯坦的相对论指出，在质量极大的物体周

围，会出现空间的扭曲。在发生日食的时候我们可

以观察到宇宙中其他恒星投射过来的光在太阳的周

围形成了偏折，这用爱因斯坦的相对论可以容易的

解释。正是由于太阳的质量非常大，产生的磁场使

空间扭曲，从而导致光向太阳的偏折。我们无法想

象四维空间，因此靠我们的想象，无法对黑洞周围

的磁场做剖析。爱因斯坦的相对论预测了黑洞的存

在，为黑洞理论奠定了基础。

黑洞的形成跟中子星有些类似。黑洞是恒星在演化过程中，由于自身的氢元素聚变，最终形成铁元素，稳定的铁元素积累在星球的中心，最后导致了恒星的坍塌。巨大质量的恒星被逐渐压缩成一个质量极大，体积极小的球体。当星球的半径小于史瓦西半径时，就形成了黑洞。

黑洞产生的引力极大，会吸收任何经过它的

物质，甚至能将光捕捉住。光在经过黑洞的过

程中，会被黑洞产生的扭曲空间“吸引”过

去，但光在一开始并不是完全无法逃脱，在某

个半径之外，光可以逃脱出黑洞的引力，但需

要损失能量。这个半径之内，我们称之为“视

界”。在视界里，都是黑的，没有任何光线，

是最黑的物体。黑洞视界最明显的分界线是红

色光组成的光环。光在逃脱黑洞引力过程中，

会损失能量，出现红移。越靠近黑洞视界，光的频率就越小，波长越大。

1976年，英国剑桥大学物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，在质量减

少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐

射。这就是著名的“霍金辐射”理论。在这个

理论中，霍金创造性地结合了广义相对论、量

子力学和热力学，将真空场粒子涨落的概念引

入到黑洞周围的时空中。

霍金在论文中提出，一对粒子会在任何时

刻、任何地点被产生，被产生的粒子就是正粒

子与反粒子。一般情况下，正反粒子很快就会

湮没而不会出现能够观测到的效应。但是如果

正反粒子的被产生是发生在黑洞附近的话，则

会出现一种新奇的现象，即其中一个粒子可能

被吸入黑洞，而另一个粒子则逃逸到无穷远。这一现象可以被详细地描述为：在黑洞附近产生的一对粒子，其中反粒子被吸入黑洞，而正粒子逃逸，另外由于能量不能凭空产生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，同时从无穷远处观测者的观点来看，反粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这样，无穷远处的观测者可以说，他看见一个携带着从

黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的质能公式表明，能量的损失会导致质量的损失，因此黑洞的质量就减少了。因此霍金推断，黑洞会不断向宇宙辐射，从而质量越来越小，直至最后蒸发。

霍金证明了，黑洞的确会向宇宙发出辐射。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这与被认为是自然界一个基本定律的信息守恒定律背道而驰，因此，这个理论也被称之为黑洞信息丢失之谜。科学家们为此争论不休。

2004年，霍金推翻了自己坚持了近30年的观点。他经过计算发现，黑洞演化是满足因果律的，信息是不丢失的。但至今为止还没有霍金没有提供有力的证明，科学家也没有一个共识，一切都还在探索。

在霍金的研究之外，还有大量的科学家对于黑洞的猜想。

有科学家提出，黑洞里可能有一个平行宇

宙，黑洞是通往另一个宇宙的入口。穿过黑

洞，我们可以进入另外一个宇宙。我们所处

的宇宙跟这个宇宙之间只有一层无限薄的缝

隙隔开。我们之间的联系只有黑洞，黑洞是

一个“缺口”，是宇宙与宇宙之间的门。而

我们就身处在无数的黑洞之一里。也有科学

家提出，黑洞本身就是一个虫洞，穿过黑洞

可以到达宇宙的另一处。

随着科技不断发展，我们不断把眼光放到

更加远的地方，在黑洞的研究方面也随之取

得很大的进展，观测也证实了科学家猜测的银河系的中心超大黑洞的存在，可以说是迈出了一大步。相信在不久的将来，我们定能破解黑洞的谜底！

参考资料：

Phys.Lett.B675,98,arXiv:0903.0893;arXiv：0906.5033

霍金新解黑洞信息丢失之谜（已附）