黑洞论文3000字左右

黑洞理论1975年，霍金创立了闻名世界的理论体系，让黑洞的概念家喻户晓。量子理论在原子的水平上对宇宙加以描述，推断出信息是从来不会丢失的。如今，霍金已修改了黑洞理论，认为黑洞是可以“重新开放”的，所吞噬的信息可以以另一种形式释放出来，就像我们生活中的燃烧一样，只是信息的转化而已。经过29年的思考，斯蒂芬·霍金表示、他以前对黑洞的看法是错误的。2004年7月14日，这位剑桥大学的著名物理学家正式发表了一篇论文，认为黑洞这种由星体残骸演化成的漩涡会保留被吞噬物体的痕迹、而且终将释放出少量被撕碎的物质。霍金激进的新理论颠覆了他30年来为了科学地解释黑洞悖论而进行的努力：被吸入黑洞的物体怎样才能真正消失，不留一点痕迹呢长期以来他一直是这样认为的，而亚原子理论认为物质的形式可以相互转换，但不可能完全消失。此前、霍金坚持认为、黑洞会摧毁其中所包含的一切微小信息，然后只是正常向外辐射能量。在第17届国际广义相对论和万有引力大会上，霍金提出了令人难以置信的新的计算结果，认为黑洞能够将吞噬的物质慢慢释放出来，而且吸收和释放的方式都只有一种。62岁的霍金说他不再相信20世纪80年代的理论、当时的理论认为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。霍金站在粒子物理学家一边、长期以来，粒子物理学家们坚持认为任何被黑洞吞噬的物质都不会凭空消失，最后必然以一种特殊的方式释放出来。霍金面对来自50个国家的大约800名物理学家和其他科学家发表了演讲，他说：（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，就不可能利用黑洞去别的宇宙空间旅行。如果跳进一个黑洞，物质能量将以一种被撕裂的形式返回到宇宙中、其中包含以前的信息，但是已经处于无法辨认的状态。霍金的新理论在物理学权威中激起了怀疑和困惑的浪潮。霍金在发表演讲时，其中的两位领军人物美国哥伦比亚大学的威廉·翁鲁和芝加哥大学的罗伯特·沃尔德不断耸肩摇头表示怀疑。黑洞专家沃尔德说：霍金完全改变了他自己以前的观点、霍金以前认为进入黑洞的一切都会被冲走。他相信从黑洞释放出的任何物质都能追溯到来源。他已经偏离了仍然坚信的理论。折叠编辑本段研究历史上世纪70年代，霍金提出的“黑洞热辐射”理论是20世纪最杰出的理论物理成就之一，但当时这一理论的一些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。为此，30年来学术界一直存在着争论，此次霍金提出的新观点―――黑洞在某一时间，将会把它吞掉的信息释放出来，从表面上看弥补了他以前理论的缺陷，但是这也不足以肯定这一理论就是正确的。赵教授解释，物质所包含的信息并不像质量或能量一样具有守恒的性质，因此霍金此前的信息消失理论并不是完全无法接受的。从20世纪60年代到80年代，黑洞研究取得了重大进展。最初人们认为黑洞是一颗死亡了的星体，什么东西都可以掉进去，但任何东西都跑不出来。1974年霍金证明黑洞有温度、有辐射。霍金辐射的发现使黑洞和霍金本人都变得家喻户晓。20世纪80年代以后，黑洞研究的重点逐渐从温度转向信息佯谬。人们早已知道，黑洞外部观测者会失去形成黑洞以及后来落入黑洞的物质的几乎全部信息，这就是“无毛定理”。所谓“毛”是指“信息”。黑洞只剩下总质量、总电荷和总角动量3根“毛”可以被外界探知。人们最初认为，虽然外部观测者不能探知黑洞内部物质的信息，但这些信息并没有从宇宙中消失，只不过隐藏在了黑洞的内部。霍金辐射发现之后，人们知道黑洞中的物质最后将全部转化为热辐射，而热辐射几乎不带出任何信息。这样，形成和落入黑洞的物质的信息将从宇宙中消失，信息不再守恒，不仅重子数守恒、轻子数守恒等定律不再成立，量子论的幺正性也将受到破坏。面对如此严重的理论困难，物理学家展开了激烈的争论。理论物理学家大都相信信息守恒，坚信幺正性这一量子论的基石不会被破坏。总之，信息应该守恒。以霍金和索恩为代表的相对论专家则认为信息不一定守恒，幺正性完全有可能被破坏。为此，霍金和索恩与坚信信息守恒的普瑞斯基打赌。"这种理论从诞生之初就遇到了麻烦:它同很多科学家坚持的"信息守恒定律"互为矛盾这一度被人们称为"黑洞悖论"如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立,那么"信息守恒定律"无疑将成为科学界最为重要的定律,也许比物质,能量守恒定律的意义更为深远霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是"信息"在黑洞中是否能够保存,守恒"折叠编辑本段理论产生所谓黑洞，是时空的一个区域，这个区域内的引力非常强大，以至于任何东西，甚至光都不能从中逃逸出来。长期以来，科学家们认为黑洞会吞噬一切。但1974年，霍金提出，黑洞一旦形成，就会“蒸发”辐射出能量，同时损失质量，这种辐射亦称为“霍金辐射”。霍金这一理论是黑洞研究中的一个重大进展。但与此同时，他又制造出了一个新的难题。霍金在1976年的另一篇论文中对此做出阐述：黑洞辐射并不含有任何黑洞内部的信息，在黑洞损失殆尽之后，所有信息都会丢失。而根据量子力学的定律，信息是不可能被彻底抹掉的，霍金的说法产生了矛盾，这就是“黑洞信息悖论”。当时霍金辩称，黑洞的引力场过于强大，量子力学的定律并不适用，但他这种解释并不令学术界感到信服。哈佛大学物理学家施特勒明格就直言“我并不相信霍金1976年的理论，尽管我不知道他的计算到底错在哪里”。折叠编辑本段理论推翻霍金悖论 霍金自己推翻自己的理论1976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。这就是著名的“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。这便是所谓的“黑洞悖论”。这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。近30年来，霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点。霍金曾表示，黑洞中量子运动是一种特殊情况，由于黑洞中的引力非常强烈，量子力学在此时已经不再适用了。但是霍金的这种说法并没有得到科学界众多持怀疑态度学者的信服。如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。这一重大研究成果还没有公开以论文的形式发表，已经在学术界引起了轩然大波。霍金在剑桥大学的同事、著名的物理理论学家马尔科姆·佩里博士表示，“霍金在这次研讨会上提出的观点也许是一种可行的解决方案。但是具体是否能得到最终认可，我看还需要由大家说了算。”但他认为，霍金最新的研究成果将可以和30年前发表的“霍金辐射”相媲美。物理学家科特·卡特勒在接受《新科学家》杂志的访问时说：“霍金发出了一个信息，他似乎在说‘我已经解决了黑洞理论中的矛盾之处，我想就此发表一些新的看法’。但是我们作为该信息的接受者，预先却并没有看到任何有关的书面阐述。作为对霍金本人的尊重，根据他的名誉，我只能暂且先接受这种说法。”。2004年7月21日，在爱尔兰的都柏林举行“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上，英国传奇科学家斯蒂芬·霍金教授宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果，霍金的态度来了个180度转弯，表示自己原来的观点错了，信息应该守恒：黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样，对其周遭的一切“完全吞食”，事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息可能会在某个时候释放出来：信息守恒。原因是先前把黑洞想得太理想化了，把黑洞热辐射也想得太理想化了。不过，霍金一直没有给出严格的证明来支持自己的新观点。索恩表示此事不能由霍金一个人说了算，他仍坚持信息不守恒的看法。普瑞斯基则表示没有听懂霍金的演讲，不明白自己为什么赢了。这一牵扯到量子论基础的敏感问题还远未解决。黑洞不是一颗死亡了的星体,它具有丰富的内涵。黑洞的霍金辐射理论表明,黑洞不仅具有一般的力学性质,而且具有量子性质和热性质。如果黑洞的辐射谱为严格的黑体谱,则黑洞辐射过程中信息丢失。Parikh和Wilczek认为,黑洞的霍金辐射的确可以看成是一种量子效应,但辐射粒子贯穿的势垒不是预先存在的,而是由出射粒子自身产生的。他们的研究结果支持信息守恒。黑洞理论的研究已经超出了黑洞本身，它不仅通过信息疑难触及了量子论的重要基石——幺正性，而且掀开了探讨时间性质的新篇章。黑洞内部有一个奇点，那是时间终结的地方。大爆炸宇宙有一个初始奇点，那是时间开始的地方。彭若斯和霍金曾经证明过一个“奇性定理”，该定理表明，任何一个真实的时空都一定存在奇点，即一定存在时间有开始或终结的过程。时间有没有开始和结束，原本是哲学家和神学家议论的话题，经过对黑洞和宇宙的研究，这一话题被纳入了物理学的领域。宇宙学家相信，太空中有许多类型的黑洞，从质量相当于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超级黑洞，不一而足。科学家过去认为，从巨大的星体到星际尘埃等，一旦掉进去，就再不能逃出，就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究，他发现，一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移，慢慢地从黑洞中“流淌”出来。霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点，他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去，黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量，而现在的最新研究表明，黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。2016年1月，斯蒂芬·霍金等人提出了新解释：落入黑洞的粒子的信息部分被位于视界线（黑洞边界）的粒子组成的“柔软毛发”所“俘虏”，这些信息并没有消失，但很难还原和破解。相关研究发表在arXiv上。[1]

图中＋－号代表不可分割的最小正负弦信息单位-弦比特（string bit）（名物理学家约翰惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）注：位元即比特

简单一点来说，就是 “银心”。

“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。 根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。 等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。 这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。 与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

很多黑洞仅仅是打质量恒星演化的重点。这些恒星的质量在太阳的10倍以上。在他们的一生中，总有两种不同的力量在相互抗衡：自身的引力向内施压，而内部热核聚变反应所产生的能量则向外施压。当这两种力量不分伯仲的时候，恒星就处于较为稳定的状态。但恒星内部用于热核聚变的燃料终有一天要用尽，当这一天来临时，力量的悬殊就会显现出来。一旦引力占了上风，恒星就无可避免的向内坍缩，并且引力的作用会越来越剧烈。随着恒星的物质变得越来越致密，它的逃逸速度也就越来越大。当恒星致密到逃逸速度大于光速时，一个黑洞就形成了。此时，即便是宇宙间运动速度最快的物质——光——也无法逃离黑洞了。 另外，宇宙中还有一些质量非常巨大的黑洞，他们位于星系和类星体的中心。比如我们银河系的中心就有一颗超大质量的黑洞，它的质量是太阳的400万倍。这些黑洞的形成过程还不完全清晰。但不论哪种黑洞，他们都不过是天体的一种极端的存在形式。