霍金的黑洞理论

理论研讨　中国市场２０１１年第９期（总第６２０期）　由霍金　“黑　ｉｌ同口Ｊ　理论’’引发的思考　王雪峰　（海南师范大学　物理与电子工程学院，海南　海口　５７１１５８）　［摘要］自史蒂芬・霍金提出黑洞理论以来，虽然黑洞的存在与否至今尚未得到验证，但是由此而引发的围绕　“黑洞理论”而生的各种观点层出不穷，本文在对黑洞进行基本概述的基础上，分析其特性，并就目前黑洞研究中的　“信息佯谬”与“奇性困难”两个争论比较激烈的问题进行探讨分析。并进一步就最近发现的具有强磁场的中子星进行　探索，由此对黑洞的诞生理论形成巨大挑战。　［关键词］黑洞理论；信。Ｅ－佯谬；奇性困难；辐射效应　［中图分类号］Ｇ３１６　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１００５—６４３２（２０１１）９—０ｌ１６—０２　霍金“黑洞理论”的思想自提出之后，紧接着又创　造了“事件视界”这一名词，然后进一步论证了“面积　定理”、“黑洞无毛定理”，最后与热力学结合起来，给黑　洞“信息佯谬”和黑洞“奇性困难”一个较为合理的　解释。　１　“黑洞理论”综述　何谓黑洞？英国的米歇尔和法国的拉普拉斯从牛顿的　力学定律和光的微粒说出发，认为当天体的万有引力强大　到能够把自身发出的光子拉回来的程度，光就不可能逃离　天体。因此，他们给“黑洞”定义为：时空中的一个区　域，其中引力场是足够的强，以至于连光线都不能从中　逃逸。　由物理计算可知，物体逃出星体的引力范围必须具有　７　的最低速度为，即Ｖ　，且Ｖ。＝＾／　，被称为第二Ｔ－宙　Ｖ　１　速度。Ｍ是质量，Ｒ是半径，Ｇ是万有引力常数。如此看　来，只要具有足够大的速度Ｖ，且Ｖ＞Ｖ．时，物体就可以　逃出这个星球。当一个星球的质量Ｍ很大，半径Ｒ很小　时，则可能有下面的情况出现，即Ｖ　一＾／￣＿＿ＬＩｏ－ｌ￣１＞０；也就　Ｖ　１ｌ　是说物体逃出星球的速度起码要大于光速ｃ，这显然是不　可能的，由此产生了“黑洞”一说。　２黑洞的性质　对于之前停留在几何和力学水平上对黑洞的研究我们　在此不做赘述。直接看位于ｒｇ＝２ＧＭ／ｃ２的史瓦西黑洞，　提出了著名的史瓦西半径：ｒｍａｘ＝２ＧＭ／ｃ２。　其中ｒｌＴｌａｘ是黑洞的最大半径，也称为视界；Ｇ为万有　引力常数，Ｍ为星体质量，ｃ为光速。星体半径一旦小于　ｒｚｎａｘ，就成为外界看不见的黑洞。后来，为了解释高密度　星体喷射能量的现象，英国理论物理学家霍金又提出黑洞　不黑，它能辐射出大量能量，因而又称为热洞。广义相对　论认为，时空弯曲的地方，时钟就走得慢，其速度与弯曲　匝囵２０１１．３　程度呈反比。由此我们知道太阳表面的钟比地球上的钟慢。　这种现象说明太阳表面发射的光，其光谱线比地球上同种　元素的光谱线频率要低，波长要长，即光谱线的位置要向　红端移动，这种现象称为引力红移。这在一定程度上验证　了广义相对论。然而黑洞表面处的时空，“弯曲”程度相　对于太阳表面则显得非常厉害，因此那里的钟变得无穷慢。　从地球上看，黑洞表面的钟完全停止不走了。如果在那里　放置一个光源体，则从地球上观看，此光源体射出的光会　发生无限大的红移，频率会减小到零，波长会增大到无穷　大。而实际上，外界根本看不见这样的光。如下图：　

物理学中的黑洞理论

物理学是一门探索宇宙奥秘的科学学科，而黑洞作为其中最为神秘的存在之一，一直是天文学家和物理学家们关注的焦点。黑洞理论，作为物理学中的一个重要分支，引发了长期的探索和研究。本文将介绍黑洞的定义、形成和性质，并探讨一些重要的黑洞理论及相关实证。

一、黑洞的定义和形成

黑洞是一种极为致密的天体，其吸引力极强，甚至连光都无法逃逸。根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞是由质量极大的恒星坍缩而成的。当质量足够大的恒星耗尽燃料，核聚变停止时，重力将克服核强力的作用，使恒星坍缩为一个极小且密度极高的天体，形成黑洞。

二、黑洞的性质

1. 黑洞的事件视界

黑洞的最外层，称为事件视界，是一种虚幻的表面，分离了黑洞内部和外部的空间。若一个物体进入事件视界，将无法逃离黑洞的吸引力。

2. 黑洞的质量和自转

黑洞的质量对吸引力的强度产生影响。质量越大，吸引力越强。此外，黑洞还有一个自转速度，这是来源于恒星坍缩时角动量守恒的结果。

3. 黑洞的奇点和引力奇点 当恒星坍缩为黑洞时，质点将集中到一个无限小的点上，形成奇点。奇点处的质量和空间曲率趋于无穷大，其中的物理定律失去了意义，称为引力奇点。

三、重要的黑洞理论

1. 霍金辐射理论

霍金辐射理论由物理学家斯蒂芬·霍金提出，他认为黑洞会以低热辐射的形式释放能量，最终引发黑洞的蒸发。这一理论为黑洞研究带来了新的思路和方向。

2. 弦理论与黑洞熵

弦理论是一种寻求描述宇宙最基本粒子和物理规律的理论，它为黑洞的熵提供了新的解释。根据弦理论，黑洞的熵与其表面的信息有关，即黑洞吸收了大量的信息并储存在事件视界上。

3. 引力波和黑洞合并

引力波是爱因斯坦广义相对论的预言之一。通过引力波的探测，科学家们获得了黑洞合并的证据。这些合并事件证实了黑洞的存在，并深化了我们对黑洞形成和进化的理解。

四、黑洞理论的实证

1. 2019年拍摄到的黑洞影像 在2019年，科学家们通过黑洞事件视界望远镜（EHT）拍摄到了首张黑洞影像，这是对黑洞理论的重大验证。这张影像揭示了黑洞周围的光环结构，对研究黑洞的性质和形成提供了重要的线索。

黑洞视界下霍金的辐射计算公式

霍金辐射（Hawking radiation）是指黑洞在量子效应下会自发地发射出粒子和辐射的现象。霍金于1974年提出了这个理论，它是基于量子场论和黑洞物理学的结合而得出的。

在黑洞视界（event horizon）的边缘，虚粒子和虚反粒子会不断地产生和湮灭。如果这个过程发生在黑洞视界内部，那么其中一个粒子可能会被吸收到黑洞内部，而另一个粒子则被排斥到黑洞外部。由于黑洞内部的粒子无法逃脱，这样就会导致黑洞失去质量。这个过程被称为霍金辐射。

霍金在1974年的论文中给出了霍金辐射的计算公式：

$$

\frac{dE}{dt} = \frac{\hbar c^6}{15360\pi G^2M^2} = \frac{1}{4\pi G^2} \frac{\hbar c^4}{M^2}

$$

其中，$E$ 是辐射能量，$t$ 是时间，$\hbar$ 是普朗克常数除以 $2\pi$，$c$ 是光速，$G$ 是引力常数，$M$ 是黑洞质量。

这个公式表明，辐射能量与黑洞质量的平方成反比。也就是说，越小的黑洞辐射的越多，失去的质量也越快。如果一个黑洞的质量足够小，那么它会在很短的时间内完全辐射掉，这被称为黑洞蒸发。

需要注意的是，霍金辐射的计算公式是基于一些假设和简化的模型，它并不能完全描述黑洞的真实性质。但是，它仍然是一个非常有趣和重要的理论，它为我们理解黑洞的物理学和量子力学提供了一个新的视角。

什么是黑洞信息悖论？

黑洞是一颗重力作用极为强大的天体，其如同巨大的重力陷阱，甚至光也无法逃脱其束缚。但是，在黑洞理论中，存在着一个颇为神秘、难以解释的问题，即黑洞信息悖论。

一、 什么是黑洞信息悖论？

黑洞信息悖论是一种理论问题，其主要涉及到黑洞对物质和信息的吞噬过程。当物质被黑洞吞噬后，其信息是否会被永久“删除”或消失，从而违背了物理学中信息守恒定律的规律。

二、信息悖论的背景

信息悖论的提出，主要背景是基于黑洞的霍金辐射理论。霍金于1974年提出了一项关于黑洞辐射的理论，即黑洞对于周围的物质产生一种名为“霍金辐射”的现象，但这也意味着，黑洞会随着时间而缩小，最终会消失。

然而，针对于这个理论，人们发现辐射并不能完美解决黑洞信息问题。因此，如何解决这个问题，成为了学术界研究的一个热点话题。

三、信息悖论的解释

为什么黑洞会存在信息悖论的现象呢？首先，从量子物理角度讲，物质无论什么形态，都包含着一定的信息。而当物质被吞噬进黑洞时，黑洞会将所有物质粉碎成极小但有限的单元，称为“准粒子”或“黑洞哈密顿量”，之后这些“准粒子”将被吸入黑洞，这时信息似乎已经被丢失了。

然而，根据普适的物理法则会发现信息是不能被消灭的，这就引出了信息悖论——信息在黑洞中的“消失”相当于违背了物理规律中的信息守恒定律。

针对这个问题，有一些学者提出了诸多解释，例如：信息存储在黑洞事件地平面、信息通过反射到宇宙中等等，但都没有能够被完整的证明，因此仍存在争议。

四、未来的展望

黑洞信息悖论问题，至今仍然没有被解决。然而，随着科技的不断进步，我们将有更多的方法来深入研究黑洞的本质，可能将有突破性的进展。

同时，国际大型空间卫星的研制、以及超大型光学望远镜的建成，也为研究黑洞信息问题提供了有力的支持和保障。在这些领域里，我们也有可能看到未来更多的科学发现和技术突破。

总结

黑洞信息悖论是一个颇为神秘、难以解释的问题。虽然目前关于这个问题的研究还没有取得很大的进展，但我们相信随着科技的不断发展，对黑洞信息悖论的研究也将迎来一个重大的突破。