從廣義相對論到黑洞信息悖論 黑洞依舊神秘

2021-01-12 新華網客戶端

1978年,天體物理學家讓-皮埃爾·盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。當然,這不是一張真正的照片,而是他利用自己的數學知識和相關技術以及60年代的一臺IBM 7040穿孔卡片計算機對黑洞景象進行的電腦模擬。盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪了模擬黑洞的樣子,整個過程就像是一臺人體印表機。

北京時間4月10日,由全球多國科研人員合作的事件視界望遠鏡(EHT)拍攝的首張黑洞特寫照片面世,這張照片是黑洞存在的直接證據。

而早在一百多年前就已經有科學家提出了黑洞的假想,百餘年來,人類探尋黑洞的腳步從未停歇,各種理論也試圖去揭示黑洞的奧秘。此次黑洞照片的公布是否驗證了他們的假想?

1915年,愛因斯坦發表了廣義相對論,在這一理論中提到了一種體積極小而質量極大的天體,其有著極強的引力,以至於周圍一定區域內連光都無法逃逸。這個被假想出來的天體被稱為「黑洞」,這一區域被稱為「事件視界」。在黑洞中,光都很難「逃逸」,更遑論速度低於光速的其他物質。當光線在強引力場作用下會出現拉伸現象,波長變長,向紅波方向偏移,這種現象被稱為引力紅移效應,這也被認為是檢驗廣義相對論強引力場理論的「完美實驗室」。也就是說,早在100多年前,愛因斯坦就預言宇宙中存在一種質量極大的天體——黑洞。

而近代,物理學家史蒂芬·霍金提出了兩大與黑洞息息相關的理論,一個被稱為「霍金輻射」,另一個被稱為「黑洞信息悖論」。

霍金輻射簡單來說就是如果在黑洞的邊界,即視界上,有一瞬間產生的反粒子被黑洞吸收,那麼與該反粒子成對、本該同步湮滅的粒子則可能不會湮滅,而成為了一個持續存在的真實粒子。從外界的角度看,就類似於黑洞發射出了一個粒子。中國科學院國家天文臺研究員、黑洞及其高能爆發現象研究小組負責人苟利軍介紹,根據經典廣義相對論,黑洞沒有任何輻射,也不會有光子輻射出來,它所對應的溫度應該為絕對零度。但是如果考慮到有光子輻射出來,那麼黑洞就不再是一個沒有溫度的天體。

近幾十年來,物理學家一直在思索粒子信息在經過黑洞時會發生什麼(這裡的信息指的是粒子的所有特徵,這個術語的意義與我們對信息的普遍釋義不同)。量子力學認為,信息不能被永久消滅,但如果信息進入黑洞後無法逃脫,實際上它就等於被消滅了。而這似乎違背了量子物理學定律。而霍金認為,傳統的黑洞研究只考慮了廣義相對論。但如果「疊加」上量子力學,則會發現,在空間的任一地方,都會存在粒子和反粒子對,它們會在瞬間產生和湮滅。這些粒子對的能量越高,壽命就越短。這個理論與廣義相對論在關於信息丟失與否上有所矛盾,所以也被人們稱為「黑洞信息悖論」。

黑洞身上背負著諸多有關宇宙的奧秘,而此次在對其驚鴻一瞥後,驗證了愛因斯坦廣義相對論。相信在之後對其進行不斷深入研究,將揭示更多秘密,也將驗證更多的理論,從而讓我們更好地了解宇宙、了解我們自身。

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作者: 李浩   [責任編輯: 童直]

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