关于黑洞

摘 要：黑洞是恒星能量消耗殆尽坍塌所导致的，黑洞研究对人类探索生命起源，天体的研究乃至一系列的问题上都有举足轻重的地位，黑洞其实就是一个引力巨大且对周围事物有着巨大影响的星体。对黑洞研究的时期分别为牛顿力学时期和相对论引力时期，在相对论引力之后黑洞热力学形成之前，黑洞解的研究分类最早经历了石瓦西黑洞，然后经历了电荷黑洞，最后是复杂的克尔黑洞三个最主要的黑洞问题解，黑洞热力学定律总结出的霍金黑洞辐射推翻了经典黑洞理论，黑洞由只进不出变成了也会辐射能量的天体。黑洞最终会因为辐射能量质量消失，这就是黑洞蒸发理论，黑洞的熵以及黑洞信息丢失疑难问题是完善黑洞理论必经的过程，黑洞的研究对宇宙研究和人类起源一系列问题意义深远，相信量子物理黑洞的突破必将给人们的未来社会带来意义深远的影响。

关键词：黑洞辐射；信息丢失；量子遂穿；信息丢失

第1章 绪论

1 黑洞研究对物理学和社会的影响

宇宙源于一个奇点，黑洞的研究给了人们研究宇宙的的依据。我们能够知道的宇宙生成10秒以后的事情，又因为核物理的原因我们知道了宇宙产生1秒之后的情况，由于宇宙早期产生条件在地球上并不具备，还有困难就是早期黑洞宇宙存在热平衡，所有的物质信息都消失了，所以人们无法研究宇宙的产生，转过来我们就要用一种间接的方法来研究宇宙的产生，我们都知道而是来源于大爆炸中，所以黑洞的研究对于宇宙形成之初的情况就能够知晓了，宇宙中的小型黑洞非常多，而且有的正在“蒸发”，粒子剧烈运动最后爆炸，这样就成了人类研究宇宙的实验室.黑洞研究也为粒子理论带来帮助，当今一大部分人认为物质最基本的粒子组成共有六种，但有一些人不这么认为，他们说构成物质的基本粒子不是只有六种而是由许多种基本粒子，宇宙中小型黑洞数目巨大，而爆炸威力非常巨大，产生的粒子我们能够想象一定非常多，如果通过观测小型黑洞检验粒子理论成为现实，这将会使粒子研究迈入一个更高的平台。作者认为黑洞是人类探索生命的起源以及世界由来，对研究哲学和天体物理都是意义重大，未来人们的活动范围不再局限于地球上，一些维持世界的基本定律在过程中不断被否定、肯定，使不太健全的变得完善，使不正确的错误认知被摒弃。黑洞听起来很遥远，但黑洞所蕴含的东西却与人们的生活有着千丝万缕的关系，人类的认识不应该局限在已经知道的事物，而应顺应时代，这正体现了人类不屈不挠，勇于前行的精神。

2 国外对“黑洞辐射”的综述

黑洞的一些列问题至今也没有解决，但之后霍金的出现似乎可以解决黑洞的许多问题，霍金在前人的启发下提出了“黑洞辐射”理论，黑洞并不是完全“黑的”，而是向外辐射能量，所有物质信息都将被黑洞淹没，根据爱因斯坦的质量与能量守恒定律，黑洞在辐射能量的同时，质量也在减少到最后黑洞消失掉量时，黑洞也就不存在了。但大多数对黑洞辐射背景都是在时空不变的情况下展开的，并没有考虑时空的反作用力，在辐射能量，由于质量减少而逐渐消失，伴随黑洞消失的还有里面的信息，但信息应该被保存下来，但黑洞消失的同时信息也随之消失，信息的存在于那里成了一个谜，这便是“黑洞驳论”。由于假说跟普通量子物理背道而驰，所以关于霍金辐射很多人持怀疑态度，根据信息守恒，信息是不可能凭空消失的，他并没有说出其中的原因所以对于黑洞的信息不守恒，就必须要给出一个合理的解释，此后霍金改正了自己的“黑洞辐射”错误理论，他的回答是：后来在黑洞内消逝的讯息都被重新组合起来以一种不知道的形式释放出来。科学家弗莱克.维尔切克和克罗斯陈霍金辐射看成一种量子遂穿效应，霍金辐射谱不再是简单的能量谱，而是夹杂信息的辐射谱，关于黑洞辐射有一种说法被人们所认同，那是黑洞中出现了真空中的量子涨落，黑洞视界产生虚粒子对，在内部的虚粒子对中，总的能量为零，负能量存在于黑洞内，且只能够存在其中，那么正粒子就会远离黑洞如果要辐射能量粒子流只能通过量子隧道向外辐射正能粒子。黑洞作为一个非常有趣的特殊天体极具“内涵”。在霍金的“黑洞辐射”依据下，我们就可以看到黑洞不仅仅有我们所熟知的普通物理的性质，例如：力学性质，也有非常规状态下的量子和热力学性质，这几个性质让我们看到了黑洞奇特的一面。有两个科学家认为，他们认为霍金黑洞辐射其实是量子效应在作对，我们都知道每个物质都有一定的势垒，但此时势垒并不是黑洞本身存在的，而是辐射粒子所带来的，这就为经典能量守恒在黑洞上找到了依据。黑洞理论可能会影响到量子物理的绝对地位，而且也对时间有了更深一层的定义。时间诞生和结束与奇点，宇宙必须诞生于一个奇点，但在奇点处，物理理论都将在奇点处失效，奇点是物理中存在和不存在的点，这是一个抽象的一个点，我们存在于这个世界上，但世界开始的时候，它必然经历了一个急速的过程，宇宙起始是一个点，一个非常抽象的点，在该点处保存着我们现实宇宙中所拥有的物质欲能量，宇宙奇点在打破各种平衡下，爆炸中的能量不断产生物质，且空间逐渐变大，因为要保持能量的平衡，天体拥有友引力那么空间物质的形成就要打破引力的束缚，很多年以后就形成了现在的宇宙能量共生体，时间有没有终点和开始？一直都被人们所讨论，那么黑洞的研究有何意义，它又将向什么方向发展呢？ 量子理论和爱因斯坦广义相对论得出了霍金辐射。但霍金黑洞也有不足。霍金辐射其实就是消耗黑洞自身的质量，同时产生能量的过程质量越小能量越高，随着质量的不断消耗，霍金的黑洞辐射最终完成，这就完成了黑洞蒸发，但此时的物质形态完全变化了，有辐射蒸发前的量子态再到后面的复杂物质组成的形态。换句话说，假设物质系统在落入黑洞前处于纯的量子态，那么在黑洞完全蒸发之后，之前的这些纯态将全部变成了混合态。在量子态中这种现象是非可逆的，所以这就造成了信息丢失问题，如果这个系统过程遵从可逆化，那么系统内信息守恒，并不存在信息丢失问题，因此，霍金辐射的非可逆的演化过程将使得物质信息不遵从守恒定律，霍金所提出的黑洞辐射理论虽然非常成功解释了黑洞演化过程，但违反了经典物理的诸多真理，如果这是真的那么经典物理的地位岌岌可危，但他知道经典物理是物理学的基石，所有理论都来源于它，它的地位和正确性不容置疑，这就要总结自己的理论缺失，所以霍金在2004年的相对论大会上纠正了自己的错误观點，黑洞在其内部变化中遵从物质守恒的。但所有信息是怎样被保存下来的又不得而知。但又有人假设如果半经典的理论仍然有效，如果黑洞里的信息不丢失，那么爱因斯坦的等效原理、幺可逆性和量子场论中我们就必须三者选择其中的两个。这会是信息丢失让人们更加重视这个问题，在我们先不考虑这个模型正确与否的前提下。信息可以穿过世界作用于外部。不过，客观地说，黑洞信息丢失问题仍然是黑洞物理中没有解决的问题，需要量子理论、信息论和引力理论等各个不同研究领域的研究者对其做出进一步的深入研究。但黑洞物理所遇到的瓶颈还没有解决霍金黑洞模型其实是简单量子理论和广义相对论结合的简单产物。随着黑洞物理的发展，引力本身要实现量子化，黑洞理论将会以全新的身份公之于众，这将是黑洞发展的必然。

作者简介：

牛奔，男，蒙古族，内蒙古自治区呼伦贝尔市海拉尔区，本科，无，呼伦贝尔学院物理学，邮编024001。