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从广义相对论到黑洞信息悖论 黑洞依旧神秘

2019-04-14 13:32 来源: 新华网

1978年,天体物理学家让-皮埃尔·卢米涅给出了黑洞事件视界的第一幅图像。当然,这不是一张真正的照片,而是他利用自己的数学知识和相关技术以及60年代的一台IBM 7040穿孔卡片计算机对黑洞景象进行的电脑模拟。卢米涅用钢笔和印度墨水在底片上描绘了模拟黑洞的样子,整个过程就像是一台人体打印机。

北京时间4月10日,由全球多国科研人员合作的事件视界望远镜(EHT)拍摄的首张黑洞特写照片面世,这张照片是黑洞存在的直接证据。

而早在一百多年前就已经有科学家提出了黑洞的假想,百余年来,人类探寻黑洞的脚步从未停歇,各种理论也试图去揭示黑洞的奥秘。此次黑洞照片的公布是否验证了他们的假想?

1915年,爱因斯坦发表了广义相对论,在这一理论中提到了一种体积极小而质量极大的天体,其有着极强的引力,以至于周围一定区域内连光都无法逃逸。这个被假想出来的天体被称为“黑洞”,这一区域被称为“事件视界”。在黑洞中,光都很难“逃逸”,更遑论速度低于光速的其他物质。当光线在强引力场作用下会出现拉伸现象,波长变长,向红波方向偏移,这种现象被称为引力红移效应,这也被认为是检验广义相对论强引力场理论的“完美实验室”。也就是说,早在100多年前,爱因斯坦就预言宇宙中存在一种质量极大的天体——黑洞。

而近代,物理学家斯蒂芬·霍金提出了两大与黑洞息息相关的理论,一个被称为“霍金辐射”,另一个被称为“黑洞信息悖论”。

霍金辐射简单来说就是如果在黑洞的边界,即视界上,有一瞬间产生的反粒子被黑洞吸收,那么与该反粒子成对、本该同步湮灭的粒子则可能不会湮灭,而成为了一个持续存在的真实粒子。从外界的角度看,就类似于黑洞发射出了一个粒子。中国科学院国家天文台研究员、黑洞及其高能爆发现象研究小组负责人苟利军介绍,根据经典广义相对论,黑洞没有任何辐射,也不会有光子辐射出来,它所对应的温度应该为绝对零度。但是如果考虑到有光子辐射出来,那么黑洞就不再是一个没有温度的天体。

近几十年来,物理学家一直在思索粒子信息在经过黑洞时会发生什么(这里的信息指的是粒子的所有特征,这个术语的意义与我们对信息的普遍释义不同)。量子力学认为,信息不能被永久消灭,但如果信息进入黑洞后无法逃脱,实际上它就等于被消灭了。而这似乎违背了量子物理学定律。而霍金认为,传统的黑洞研究只考虑了广义相对论。但如果“叠加”上量子力学,则会发现,在空间的任一地方,都会存在粒子和反粒子对,它们会在瞬间产生和湮灭。这些粒子对的能量越高,寿命就越短。这个理论与广义相对论在关于信息丢失与否上有所矛盾,所以也被人们称为“黑洞信息悖论”。

黑洞身上背负着诸多有关宇宙的奥秘,而此次在对其惊鸿一瞥后,验证了爱因斯坦广义相对论。相信在之后对其进行不断深入研究,将揭示更多秘密,也将验证更多的理论,从而让我们更好地了解宇宙、了解我们自身。

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作者: 李浩   [责任编辑: 童直]

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