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霍金為什麽說黑洞不存在?信息丟失的悖論是什麽?

像壹口深井,我不知道黑洞的底部通向哪裏,只知道前方的旅程是星星和太陽。村上春樹今天我們就來說壹些關於黑洞的常見問題,由淺入深,希望這篇文章能讓妳了解和認識黑洞。

什麽是黑洞?我們對黑洞的定義其實壹開始就很簡單,主要說的是壹個無論什麽物質,甚至是光,都無法從中逃逸的空間區域。這個空間區域就是黑洞,這個區域的邊緣叫做?事件視界?任何落入視覺界面的物質或信息都會落入黑洞中心,永遠無法逃逸,也就是說視覺界面內外的信息是完全斷開的,所以我們不可能知道裏面發生了什麽,裏面的東西永遠出不來。

但霍金根據真空中的量子漲落提出了黑洞輻射理論,認為黑洞是在緩慢釋放能量和損失質量,所以當壹個黑洞完全消失時,之前落入黑洞的所有物質的所有信息都會丟失。這就是黑洞信息丟失的悖論,與量子力學的信息守恒思想不符。

霍金隨即提出(這是他的猜測,尚未得到證實)黑洞與外界的信息只是暫時斷開,叫做?表觀視界?這個?表觀視界?未來它會消失,陷在黑洞裏的信息不會丟失,它會回歸宇宙,但這種暫時的隔絕可能比宇宙還要古老,這意味著完全斷開和暫時斷開的區別無法觀察到。個人認為霍金在胡說八道!

黑洞有多大我們可以把黑洞想象成壹個球體,它的直徑與黑洞的質量成正比,即最初形成黑洞或後來落入黑洞的質量越多,黑洞的體積就越大。但是和同樣質量的天體相比,黑洞還是很小的。這是因為黑洞在巨大的引力作用下,已經將其質量壓縮到了非常小的體積。比如質量與地球相當的黑洞,半徑只有幾毫米,地球半徑大約是同質量黑洞的6543.8+0億倍。

黑洞的半徑稱為史瓦西半徑,用卡爾?以施瓦辛格的名字命名。因為卡爾嗎?史瓦西首先提出黑洞作為愛因斯坦廣義相對論的解。但是別忘了宇宙中有幾百億倍太陽的質量,這些黑洞還是很大的。

陷入視覺界面會怎樣?在接近黑洞時,我們會看到背景星光嚴重扭曲,但如果黑洞所在的背景區域沒有星光,那麽在接近黑洞甚至穿越視覺界面時,我們將看不到周圍環境的任何變化。妳甚至不知道妳正在下落,加速或者受到重力的影響。這是因為愛因斯坦等效原理的壹個推論。

我們分不清平面空間的加速度和導致空間彎曲的引力場的區別。因為黑洞的背景沒有星光,全是黑的,我們甚至找不到壹個參照系來告訴我們它在加速。

然而,如果壹個遠離黑洞的觀察者看到有人掉進黑洞,他會註意到越靠近視覺界面,他的動作越慢。因為靠近黑洞視界的時間比遠離黑洞視界的時間慢很多。但是對於掉進黑洞的人來說,他們會在短時間內穿越視覺界面。

還有壹點,壹個人在視覺界面上掉進黑洞的體驗取決於引力場潮汐力的大小。表觀界面上的潮汐力與黑洞質量的平方成反比。也就是說,黑洞的質量越大,引潮力就越小。如果黑洞的質量足夠大,對我們不會有任何影響,我們可以安全穿越視覺界面。如果潮汐力足夠大,頭和腳會感受到巨大的引力差,我們的身體會被拉伸。物理學中的專業術語是什麽?意大利面?。

黑洞裏有什麽?這個問題沒人知道,但幾乎可以肯定的是,黑洞內部的東西絕不是我們見過的任何物質形態。在廣義相對論的語言中,黑洞內部有壹個奇點,在這個點上引力變得無限大。任何物體壹旦穿越視覺界面,都會迅速撞上奇點,但廣義相對論無法告訴我們奇點是什麽,它也在奇點處坍縮,這意味著它是不適用的,也是可以理解的。

我們需要的是量子引力理論。壹般認為這個理論會用別的東西代替奇點。

黑洞是如何形成的?我們知道黑洞可能以四種不同的方式形成。最容易理解的是恒星坍縮型黑洞。足夠質量的恒星在核聚變停止後會坍縮形成黑洞,因為當聚變產生的輻射壓力停止時,物質會開始向自己的重心下落,密度會增加。最後,沒有任何東西可以克服恒星表面的引力,於是就產生了黑洞。這些黑洞被稱為。恒星質量黑洞?,是最常見的黑洞。

下壹種常見的黑洞類型是什麽?超大質量黑洞?它通常位於星系中心,質量約為太陽質量黑洞的數十億至數百億倍。準確地說,這些超大質量黑洞的形成目前還不完全清楚。但我們壹般認為它們原本是壹個恒星質量的黑洞,在恒星和黑洞密集的星系中心,通過相互融合,吞噬其他恒星,成長為超大質量黑洞。

更有爭議的觀點是原始黑洞,它很可能是在早期宇宙的高密度波動下形成的。雖然這是可能的,但是很難找到壹個模型,既能產生原始黑洞,又不會形成太多的原始黑洞。

最後,還有壹種推測性很強的黑洞,即在大型強子對撞機中可以產生壹個質量類似希格斯玻色子的微小黑洞。只有在我們的宇宙中存在額外維度的情況下,這種情況才會發生。但是到目前為止我們還沒有發現任何額外的維度。

我們如何知道黑洞的存在?從理論到現實,我們有很多關於黑洞的觀測證據。起初,我們通過引力發現了黑洞。比如在銀河系的中心,我們發現大量的恒星在圍繞壹個不發光的點高速運轉。根據引力定理,我們可以知道這個中心點的質量是太陽的幾百萬倍。

比如宇宙中壹些星系中心質量較大的黑洞,由於其異常活動,也會產生壹些可觀測的光學效應,比如黑洞吸積後會在吸積盤中輻射出X射線,也會在中心形成明顯的射電源。正是利用黑洞的這些性質,我們獲得了歷史上第壹張黑洞照片。

為什麽霍金曾經說過黑洞不存在?這句話有點斷章取義。其實霍金想表達的並不在這裏。黑洞是真實存在的。他想說的是,他認為黑洞並沒有永恒的事件視界,而是短暫的視視界,以此來解決黑洞的信息丟失問題。但這是他猜到的。

黑洞是如何發出輻射並失去質量的?黑洞通過量子效應發出輻射。需要註意的是,這是物質的量子效應,不是引力的量子效應。量子力學認為真空不是空的,在極短的時間內有正負虛粒子對,能量回歸宇宙。但是,如果這種量子效應發生在黑洞的視覺界面邊緣,其中壹個虛擬粒子會落入黑洞,而另壹個虛擬粒子會從黑洞中竊取能量,變成真實粒子並逃逸,湮滅附近的反真實粒子釋放能量。

黑洞發出的輻射最初是斯蒂芬發出的?霍金提出,被稱為?霍金輻射?。輻射溫度與黑洞的質量成反比。黑洞越小,輻射溫度越高。據我們所知,恒星和超大質量黑洞的輻射溫度遠低於宇宙微波背景輻射的溫度,因此根本無法探測到這樣的效應。毫不誇張地說,我們人類未來可能無法驗證霍金的說法。

信息丟失的悖論是什麽?信息丟失的悖論是霍金輻射造成的。這種輻射是壹個純熱過程,也就是說除了特定的溫度,輻射完全是隨機的。而且,這些輻射並不包含任何關於黑洞形成的信息,也不包含任何之前掉入黑洞的物體的信息,但是當黑洞發出輻射時,它會失去質量並逐漸收縮。最終黑洞會完全轉化為隨機輻射。也就是關於黑洞之前是如何形成的,以及墜入黑洞的物體的信息都會丟失,但量子力學不允許這種情況發生。

所以黑洞的蒸發與我們所知道的量子論是不壹致的,我們必須做出壹些讓步。這種不壹致必須以某種方式消除。大多數物理學家認為,解決方案是霍金輻射必須以某種方式包含這些信息,或者這些信息可以通過其他方式逃離黑洞。

如何解決黑洞信息丟失的問題?這是物理學的前沿問題,是科學無法證偽的。人們提出了很多假說,比如:黑洞可能在另壹個維度被白洞連接,從黑洞進入的物質信息會從白洞吐出;而黑洞其實是壹個蟲洞的入口,連接著另壹個時空,物質信息也可以出來。這些完全超出了我們人類去驗證和觀察的範圍和能力。目前來看,這些猜測毫無意義。

而且,為了填補這個漏洞,霍金提出黑洞其實有壹種存儲信息的方式,這種方式以前壹直被人們所忽視。事實上,物質信息存儲在黑洞的事件視界中,這可以引起霍金輻射中粒子的微小運動。在這些微小的變化中,可能有消失物質的信息。很神秘,但無法證實。

這是壹些關於黑洞的問題。目前,我們可以肯定黑洞是存在的。我們可以在宇宙中找到它們,知道它們是如何形成並最終消失的。但是信息進入黑洞的具體去向還有待研究!