国外媒体报道,黑洞是宇宙中最奇特的现象之一

文章作者:管理一号 | 2019-02-26
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北京时刻2月26日音讯,据国外媒体报道,黑洞是国际中最独特的现象之一。在这篇文章中,咱们预备先将黑洞作为经典物理理论中的一类物体来评论,即不考虑其或许具有的量子效应及成果。就现在来说,其背面的经典理论就是爱因斯坦的引力论。它将空间与时刻描绘成一系列的场,其行为由爱因斯坦的等式决议。

天然有人会问,该理论是怎么描绘一个巨大球体(比方恒星)周围的空间和时刻的?科学家卡尔•史瓦西(Schwarzschild)给出了答案。该理论在任何静态球体周围都建立,而且最要害的是,仅取决于物体质量。但是,假设该物体的质量悉数限制在特定半径之内(名叫史瓦西半径),就会发作十分独特的现象。接着,在史瓦西半径划出的鸿沟上,所谓的事情视界就会构成,黑洞便随之诞生。

在评论黑洞的奇异性之前,让咱们先来谈一谈黑洞构成的条件。史瓦西半径rs和质量M之间的联络十分简略,互相成正比:rs = a x M。假设用标准单位进行丈量,这儿的a数值十分小。例如,关于一个质量与地球差不多的物体来说,其史瓦西半径只要9毫米左右!现在还没有任何已知的物理进程能够把地球压缩成这么小的体积,而且国际中也不大或许存在质量只要地球这么大的黑洞。而假设咱们考虑更大质量的天体,状况就不相同了,由于天体质量越大,史瓦西半径之内的体积增长得就越快,即包容该天体悉数质量的空间增长得就越快。比方说,假设天体质量添加一倍,包容其悉数质量的空间就会变为本来的八倍。因而天体质量越大,就越简单构成黑洞。科学家现已知道,在巨大恒星生命晚期,会有一些机制使其转化为黑洞。而当这些由恒星构成的黑洞发作兼并时,还会构成质量更大的黑洞。

再说回黑洞的奇异性。其实,假设咱们离黑洞满足远的话,黑洞和其它质量相同的天体并没有太大不同。仅有值得一提的不同之处在于,黑洞不会宣布任何光线。风趣的是,假设咱们挨近黑洞,时刻对咱们而言便会消逝得越来越慢。但这种效应无法被直接检测到。不论咱们带上什么时钟,从咱们的视点来看,它们的运作都彻底正常。只要当咱们从黑洞回来后、与黑洞远处的时刻进行比较,才干看出区别来。事实上,任何巨大天体都会发生这一效应,不只是黑洞独有的特征。爱因斯坦的等式描绘了时刻的体现方式,在球体之外,时刻的消逝仅与天体质量有关。但对其它天体而言,咱们能够真实挨近、乃至进入该天体。一旦到了天体内部,时刻的消逝便会受其内部的特定状况影响。像时刻胀大这样的效应不会无限制添加。但随着咱们离黑洞越来越近,该效应确实会无限制添加,直到咱们抵达前面说到的事情视界停止。

穿过事情视界会发生严重后果。假设咱们仔细考虑无限时刻胀大这种或许性,当咱们穿越事情视界的一会儿,对视界外的全部物体而言,时刻都登时消逝一空,全部物体都就此完结。而咱们一旦进入黑洞,便再也无法回头。这点在史瓦西的半径理论中体现得十分显着。在黑洞外的国际中,时刻只能向前跋涉,这是爱因斯坦理论的基本特征。而在事情视界之内,时刻只能沿径向行进,也就是说,咱们只能遵从这一方向,不断朝黑洞中心进发。这条路肯定有去无回,就连人类能幻想出的最强壮的火箭也无法阻挠咱们朝黑洞中心飞去。到了黑洞中心,引力将强壮到无法幻想,终究黑洞的量子特征和引力自身都必将显露其真面目。

不过,黑洞的其它量子特性却是能够被早早观测到。下文中将对此评论一二。

与量子国际和信息处理的联络

 

上文说到,史瓦西对爱因斯坦等式给出的答案仅取决于天体质量。但当该天体坍缩成为黑洞时,与其有关的全部信息会怎么呢?天体由多种粒子构成,有特定的温度、物质散布、辐射谱线等等,这些都是天体具有的信息。假设只考虑经典国际,那么在黑洞构成之后,这些信息都将被隐藏在事情视界之后。这样一来,黑洞外的人就彻底无法追寻这些信息了。在经典国际中,这并不是个大问题。顶多是无法获取这些信息有些惋惜罢了,但并不会影响该理论的共同性。

但咱们知道,这个国际并不是一个经典含义的国际,咱们对量子理论的了解也现已初具规模。霍金使用量子理论证明,黑洞事情视界邻近的量子效应能够使粒子继续不断地从黑洞中向外流出。黑洞会宣布辐射,因而久而久之,质量必定会有所削减。假设等得满足久,黑洞终究要么会彻底蒸腾,要么留下少许剩余。

那么在黑洞蒸腾之后,其间的信息都去了哪里呢?在对黑洞的描绘中参加一些“量子性”之后,这个问题就显得十分重要了。假设对量子信息妄加处理,很简单损坏理论的共同性。比方说,信息必须在黑洞内部敏捷传达开来,不然量子态就或许得到仿制,而这在任何具有共同性的量子理论中都是被肯定制止的。说实话,关于黑洞怎么处理量子信息的问题,物理界没有达到共同。有一种或许性是,这些信息或许隐藏在霍金辐射中。假设咱们能等得满足久,收集到满足多的霍金辐射,或许就能从中找回咱们想要的一切信息。不过,这又会牵涉到更多不切实际的试验。假设能找到一种令人信服、自洽、而且与量子国际有所相关的黑洞描绘,将是咱们朝用量子理论描绘引力迈出的重要一步,也将是理论物理学迈出的最重要的一步之一!

最终再来谈谈量子效应对黑洞的重要性。假设有一个质量为太阳四倍的、由恒星构成的一般黑洞,其霍金辐射换算成的温度大约只比肯定零度高几亿开尔文。因而量子效应对该黑洞的日常物理体现简直没有任何影响。任何由恒星构成的(乃至质量更大的)黑洞都是如此。接下来,再幻想有一枚重约5克的硬币。这枚硬币的量子效应对它的物理体现也没有严重影响,其物理体现简直彻底能够用经典理论来解说。不过,假设有一个质量和这枚硬币差不多的黑洞,状况就大不相同了。作为一个(部分程度上)的量子物体,它在须臾之间就会辐射、蒸腾殆尽。而在其质量转化为能量的进程中,会发明一场强度达广岛原子弹3倍的巨大爆破。在这种状况下,黑洞的量子效应便会发挥巨大作用,而且比在一般状况下早得多。

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