連光都無法脫逃,那信息能否在黑洞中留存?

光為何無法逃離黑洞

如果一顆恆星的質量是我們太陽的10~50倍，即便它成為了中子星，引力仍然會繼續壓縮它，沒有了聚變力來抵抗引力的拉拽，就無法阻止這顆恆星的最終坍縮，那麼它最終會變成什麼？

在愛因斯坦的現代廣義相對論中，它預言了宇宙空間內應該存在這樣一種密度極大體積極小的天體。著名天文學家史瓦西通過對愛因斯坦場方程的求解證實了宇宙中存在這樣的天體。

後來惠勒將其命名為「黑洞」用來取代以前「引力完全塌縮的星球」這一冗長的稱呼。黑洞一詞立刻因其簡潔明了地描述了這類天體的性質，而被大家廣泛接受。

「原子彈之父」奧本海默曾這樣描述黑洞：

」一顆足夠重量的死恆星將會崩裂，它製造出極密的堆積，以致光都無法穿越。這顆恆星會一直分裂下去，而宇宙空間則會像個黑鬥篷一樣將其包裹。在這個堆積中心，空間會無盡地彎曲，物質無窮密集，形成一種既密實又單一的矛盾景象。」

光速是一切具有靜止質量的物體所不能到達的速度極限嗎？那麼為什麼光會無法逃離黑洞，因為黑洞的逃逸速度超過了光速。

我們知道，所有的天體都有一個所謂的逃逸速度——即永久逃離這個天體引力所必須具有的最小速度。譬如，航天飛船要脫離地球，那麼它的初速度就要大於地球的逃逸速度即11.2公裡/秒。逃逸速度取決於星球的質量。如果一個星球的質量大，其引力就強，逃逸速度值就高。反之一個較輕的星球將會有較小的逃逸速度。逃逸速度還取決於物體與星球中心的距離。距離越近，逃逸速度越大。地球的逃逸速度是11.2公裡/秒，太陽的逃逸速度為617.7公裡/秒。

需要注意的是，逃逸速度是指從黑洞跑出來的速度,並不是黑洞移動的速度。也就是說你需要用多快的速度才能從黑洞中跑出來，正是因為光速是一切具有靜止質量的物體所不能到達的速度極限，而黑洞的逃逸速度又超過光，所以光沒有辦法逃出黑洞，因為宇宙中沒有速度超過光的事物存在。

逃逸速度的計算依據正是牛頓的萬有引力定律，這個定律事實上給出了逃逸速度與恆星質量之間的精確關係，正是因為科學家知道了逃逸速度的存在，才能製造出太空飛行器，從而飛出地球。

也正是因為光無法從黑洞中逃離，所以人類無法直接觀測到黑洞。而全世界首張黑洞的照片是用事件視界望遠鏡直接長時間曝光拍攝了10天，經過近兩年時間的後期處理和分析獲得的，

事件視界望遠鏡並不是一個傳統觀念的觀測平臺，而是由位於美國、墨西哥、智利、法國、格陵蘭島和南極的天線組成觀測陣列，它主要負責對銀河系中央的人馬座A *黑洞進行觀測，捕捉黑洞周圍環境的清晰圖像。

光都無法逃脫，那信息還能留存嗎

1972年，以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦發現，黑洞球形事件視界佔據的區域對應於它的「熵」。這是黑洞內全部粒子所有可能的微觀排列方式的數量，或者就像現代理論物理學家描述的那樣，熵是黑洞存儲信息的能力。

視界的定義：對於經典黑洞而言，黑洞外的物質和輻射可以通過視界進入黑洞內部，而黑洞內的任何物質和輻射均不能穿出視界或是反射，因此又稱視界為單向膜。視界並不是物質面，它表示外部觀測者從物理意義上看，除了能知它（指視界）所包含的總質量、總電荷等基本參量外，其他一無所知.球狀黑洞的視界是以引力半徑值（即史瓦西半徑r=2GM/c^2，式中G為引力常數，M為黑洞質量，c為光速）為徑向半徑的.對於有旋轉運動的黑洞（克爾黑洞），視界的徑向坐標則不同於史瓦西半徑。

貝肯斯坦的見解讓史蒂芬·霍金在兩年後認識到，黑洞是有溫度的，因此它會輻射出熱量。這種輻射會導致黑洞慢慢蒸發掉，1975年，霍金稱自己通過計算得出結論，他認為黑洞在形成過程中，其質量減少的同時還不斷在以能量的形式向外界發出輻射。

這就是我們前面剛剛提到的的「霍金輻射」理論。但是，理論中提到的黑洞輻射中並不包括黑洞內部物質的任何信息，一旦這個黑洞濃縮並蒸發消失後，其中的所有信息就都隨之消失了，根據愛因斯坦的理論，信息從我們的這個宇宙中消失，似乎是不可避免的結果。這便是廣受熱議的「黑洞信息悖論」。

霍金認為任何被黑洞吸入的物質會永久消失

該悖論提出了一個疑問：那些落入黑洞的信息發生了什麼？

如果你燃燒兩本大小相同的書但有不同的內容，可能實際上無法重建任何一本書的文字，紙張上的墨水圖案，分子結構的變化以及其他微小差異都包含信息，並且該信息仍然編碼在煙霧，灰，周圍空氣和所有其他正在傳播的粒子。如果能夠以任意精確的方式監控書籍周圍的環境並包括書本，就能夠重新構建你想要的所有信息，信息會混亂，但不會丟失。然而黑洞信息悖論是：在黑洞視界上留下的所有信息一旦蒸發，在我們可觀測宇宙（即哈勃體積直徑約1000億光年）中不會留下任何痕跡（故不能被重建）。

物質進入黑洞

在當時「黑洞悖論」觀點受到了量子物理學者的質疑，科學家們認為被黑洞「吞掉」的物質的信息最終將會隨黑洞一起消失，在量子物理的角度上是無法解釋的。量子力學稱，宇宙保留了有關過去的所有信息。這種信息丟失應該被量子力學的規則所限制，任何系統都可以用量子波函數來描述，每個波函數都是唯一的。如果在時間上發展量子系統，兩種不同的系統不可能達到相同的最終狀態。

波函數

也就是說在黑洞信息悖論裡有一件事情是必須發生的：

1、當黑洞蒸發時，任何信息都會以某種方式被破壞，告訴我們有關於黑洞蒸發的新規則和規律（霍金的觀點，符合愛因斯坦的相對論）

2、或者釋放出的輻射包含了這些信息、這意味著霍金輻射比我們迄今為止所做的計算還要多。（其他量子物理學者的觀點）

為此，30年來學術界一直存在著爭論。說通俗一些就是霍金認為被吸入黑洞的物體會真正在外部世界「消失」，不留一點痕跡，即使黑洞蒸發了，也不會再出現。而量子物理學者則認為物質的形式可以相互轉換，但不可能完全消失。

而這正是愛因斯坦的相對論與量子力學的又一次激烈交鋒！

由此霍金和加州理工學院理論物理學家約翰·普瑞斯基爾進行了20世紀最為著名的一次打賭：輸者向勝利者提供一部百科全書，從百科全書中可以隨意再現信息。

黑洞信息悖論由此被稱為」跨世紀的十大物理問題」，被科學界廣為關注。

為了解釋黑洞裡的信息去哪裡了，為什麼會消失，霍金提出黑洞可能可以通往另一個宇宙空間，這正好可以用來解釋被黑洞吞噬的物質和能量去了哪裡，然而這個解釋並沒有得到科學界的認可。

到了2004年，霍金的態度令人吃驚的逆轉，他在都柏林舉行的「第17界國際廣義相對論和萬有引力大會」上，他表示自己對有關信息，問題的看法錯了他重新的進行了某些他早期的計算，得出結論說，「（黑洞裡）沒有我曾設想過的子宇宙分支，物質信息仍然牢牢地保存在我們這個宇宙裡。我很遺憾這讓科幻迷們失望了，但如果物質信息被保存了，（我們）就不可能利用黑洞去別的宇宙空間旅行。」

「如果你跳進一個黑洞，你的物質能量將以一種『被撕裂'的形式返回到我們的宇宙中，其中包含你以前的信息，但是已經處於無法辨認的狀態。」

2004年，霍金在柏林發表自己對於黑洞信息悖論的最新看法

雖然霍金自敗賭局，然而關於黑洞信息悖論的爭議卻遠遠沒有結束，關於黑洞中信息的結局還需要科學家進一步確認。

但這一悖論實實在在地暴露了廣義相對論和量子力學的不協調性，黑洞中一定蘊藏著更為奇特的物理學規律。如何找到兩者的相同點，實現量子力學與相對論的大融合，而這也成為了許多弦理論科學家探索的目標。