从广义相对论到黑洞信息悖论黑洞依旧神秘

来源：科普中国时间：2019.04.29

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。