光为何无法逃离黑洞

如果一颗恒星的质量是我们太阳的10~50倍，即便它成为了中子星，引力仍然会继续压缩它，没有了聚变力来抵抗引力的拉拽，就无法阻止这颗恒星的最终坍缩，那么它最终会变成什么？

在爱因斯坦的现代广义相对论中，它预言了宇宙空间内应该存在这样一种密度极大体积极小的天体。著名天文学家史瓦西通过对爱因斯坦场方程的求解证实了宇宙中存在这样的天体。

后来惠勒将其命名为“黑洞”用来取代以前“引力完全塌缩的星球”这一冗长的称呼。黑洞一词立刻因其简洁明了地描述了这类天体的性质，而被大家广泛接受。

【资料图】

“原子弹之父”奥本海默曾这样描述黑洞：

”一颗足够重量的死恒星将会崩裂，它制造出极密的堆积，以致光都无法穿越。这颗恒星会一直分裂下去，而宇宙空间则会像个黑斗篷一样将其包裹。在这个堆积中心，空间会无尽地弯曲，物质无穷密集，形成一种既密实又单一的矛盾景象。”

光速是一切具有静止质量的物体所不能到达的速度极限吗？那么为什么光会无法逃离黑洞，因为黑洞的逃逸速度超过了光速。

我们知道，所有的天体都有一个所谓的逃逸速度——即永久逃离这个天体引力所必须具有的最小速度。譬如，航天飞船要脱离地球，那么它的初速度就要大于地球的逃逸速度即11.2公里/秒。逃逸速度取决于星球的质量。如果一个星球的质量大，其引力就强，逃逸速度值就高。反之一个较轻的星球将会有较小的逃逸速度。逃逸速度还取决于物体与星球中心的距离。距离越近，逃逸速度越大。地球的逃逸速度是11.2公里/秒，太阳的逃逸速度为617.7公里/秒。

需要注意的是，逃逸速度是指从黑洞跑出来的速度，并不是黑洞移动的速度。也就是说你需要用多快的速度才能从黑洞中跑出来，正是因为光速是一切具有静止质量的物体所不能到达的速度极限，而黑洞的逃逸速度又超过光，所以光没有办法逃出黑洞，因为宇宙中没有速度超过光的事物存在。

逃逸速度的计算依据正是牛顿的万有引力定律，这个定律事实上给出了逃逸速度与恒星质量之间的精确关系，正是因为科学家知道了逃逸速度的存在，才能制造出航天器，从而飞出地球。

也正是因为光无法从黑洞中逃离，所以人类无法直接观测到黑洞。而全世界首张黑洞的照片是用事件视界望远镜直接长时间曝光拍摄了10天，经过近两年时间的后期处理和分析获得的，

事件视界望远镜并不是一个传统观念的观测平台，而是由位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的天线组成观测阵列，它主要负责对银河系中央的人马座A *黑洞进行观测，捕捉黑洞周围环境的清晰图像。

光都无法逃脱，那信息还能留存吗

1972年，以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦发现，黑洞球形事件视界占据的区域对应于它的“熵”。这是黑洞内全部粒子所有可能的微观排列方式的数量，或者就像现代理论物理学家描述的那样，熵是黑洞存储信息的能力。

视界的定义：对于经典黑洞而言，黑洞外的物质和辐射可以通过视界进入黑洞内部，而黑洞内的任何物质和辐射均不能穿出视界或是反射，因此又称视界为单向膜。视界并不是物质面，它表示外部观测者从物理意义上看，除了能知它（指视界）所包含的总质量、总电荷等基本参量外，其他一无所知.球状黑洞的视界是以引力半径值（即史瓦西半径r=2GM/c^2，式中G为引力常数，M为黑洞质量，c为光速）为径向半径的.对于有旋转运动的黑洞（克尔黑洞），视界的径向坐标则不同于史瓦西半径。

贝肯斯坦的见解让史蒂芬·霍金在两年后认识到，黑洞是有温度的，因此它会辐射出热量。这种辐射会导致黑洞慢慢蒸发掉，1975年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是我们前面刚刚提到的的“霍金辐射”理论。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了，根据爱因斯坦的理论，信息从我们的这个宇宙中消失，似乎是不可避免的结果。这便是广受热议的“黑洞信息悖论”。

霍金认为任何被黑洞吸入的物质会永久消失

该悖论提出了一个疑问：那些落入黑洞的信息发生了什么？

如果你燃烧两本大小相同的书但有不同的内容，可能实际上无法重建任何一本书的文字，纸张上的墨水图案，分子结构的变化以及其他微小差异都包含信息，并且该信息仍然编码在烟雾，灰，周围空气和所有其他正在传播的粒子。如果能够以任意精确的方式监控书籍周围的环境并包括书本，就能够重新构建你想要的所有信息，信息会混乱，但不会丢失。然而黑洞信息悖论是：在黑洞视界上留下的所有信息一旦蒸发，在我们可观测宇宙（即哈勃体积直径约1000亿光年）中不会留下任何痕迹（故不能被重建）。

物质进入黑洞

在当时“黑洞悖论”观点受到了量子物理学者的质疑，科学家们认为被黑洞“吞掉”的物质的信息最终将会随黑洞一起消失，在量子物理的角度上是无法解释的。量子力学称，宇宙保留了有关过去的所有信息。这种信息丢失应该被量子力学的规则所限制，任何系统都可以用量子波函数来描述，每个波函数都是唯一的。如果在时间上发展量子系统，两种不同的系统不可能达到相同的最终状态。

波函数

也就是说在黑洞信息悖论里有一件事情是必须发生的：

1、当黑洞蒸发时，任何信息都会以某种方式被破坏，告诉我们有关于黑洞蒸发的新规则和规律（霍金的观点，符合爱因斯坦的相对论）

2、或者释放出的辐射包含了这些信息、这意味着霍金辐射比我们迄今为止所做的计算还要多。（其他量子物理学者的观点）

为此，30年来学术界一直存在着争论。说通俗一些就是霍金认为被吸入黑洞的物体会真正在外部世界“消失”，不留一点痕迹，即使黑洞蒸发了，也不会再出现。而量子物理学者则认为物质的形式可以相互转换，但不可能完全消失。

而这正是爱因斯坦的相对论与量子力学的又一次激烈交锋！

由此霍金和加州理工学院理论物理学家约翰·普瑞斯基尔进行了20世纪最为著名的一次打赌：输者向胜利者提供一部百科全书，从百科全书中可以随意再现信息。

黑洞信息悖论由此被称为”跨世纪的十大物理问题”，被科学界广为关注。

为了解释黑洞里的信息去哪里了，为什么会消失，霍金提出黑洞可能可以通往另一个宇宙空间，这正好可以用来解释被黑洞吞噬的物质和能量去了哪里，然而这个解释并没有得到科学界的认可。

到了2004年，霍金的态度令人吃惊的逆转，他在都柏林举行的“第17界国际广义相对论和万有引力大会”上，他表示自己对有关信息，问题的看法错了他重新的进行了某些他早期的计算，得出结论说，“（黑洞里）没有我曾设想过的子宇宙分支，物质信息仍然牢牢地保存在我们这个宇宙里。我很遗憾这让科幻迷们失望了，但如果物质信息被保存了，（我们）就不可能利用黑洞去别的宇宙空间旅行。”

“如果你跳进一个黑洞，你的物质能量将以一种‘被撕裂"的形式返回到我们的宇宙中，其中包含你以前的信息，但是已经处于无法辨认的状态。”

2004年，霍金在柏林发表自己对于黑洞信息悖论的最新看法

虽然霍金自败赌局，然而关于黑洞信息悖论的争议却远远没有结束，关于黑洞中信息的结局还需要科学家进一步确认。

但这一悖论实实在在地暴露了广义相对论和量子力学的不协调性，黑洞中一定蕴藏着更为奇特的物理学规律。如何找到两者的相同点，实现量子力学与相对论的大融合，而这也成为了许多弦理论科学家探索的目标。

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