黑洞：量子引力理论的关键与时空深层理论的探索

黑洞是否会成为量子引力理论的关键？关于空间和时间如何运作的现实的更深层次的理论，我想是的。黑洞隐藏着什么？这很有趣。这些物体为人所知已有四五十年，但从理论上讲，它们已为人所知近一个世纪，一直令人着迷。它们是奇怪的东西。描述黑洞最简单的方式是将其视为连光都无法逃脱的空间区域。

历史上的怀疑与黑洞的存在

关于此类物体存在的预测可以追溯到20世纪初相对论诞生之初。但实际上，到了20世纪60年代，甚至80年代，许多物理学家都感觉，由于这些预测物体所带来的智力挑战，大自然可能不会创造它们。我甚至看到伟大的物理学家史蒂文·温伯格说，从某种意义上说，他希望这些东西不存在，因为它们太令人困惑了。但我们现在知道它们确实存在，所以我们必须面对它们带来的挑战。

黑洞与统一理论的结合

黑洞很有趣，因为回顾斯蒂芬·霍金在20世纪70年代的研究，我们发现黑洞要求我们同时思考量子理论和广义相对论。将20世纪和21世纪物理学的两大支柱统一为通常所说的量子引力理论，从某种意义上说，这是理论物理学家的圣杯。但问题始终是，自然界中是否存在我们可以观察到的事物，需要我们将这两种理论融合在一起？据我们所知，黑洞确实是自然界中一个独特的地方，我们可以看到一个东西就坐落在天空中，这要求我们将这两种理论结合起来考虑，希望能揭示出更深层次的理论。

黑洞概念的早期萌芽：逃逸速度

黑洞的概念实际上可以追溯到18世纪80年代和90年代。当时有两位物理学家、数学家、自然哲学家，他们都思考着一种叫做逃逸速度的概念。逃逸速度是为了完全摆脱行星或恒星的引力而必须达到的速度。以地球为例，地球表面的逃逸速度约为每秒8英里至每秒11公里。如果质量增大，比如一颗恒星，比如太阳，逃逸速度就会增加，因为表面引力会增加。实际上对于太阳来说，它的速度大约是每秒400英里，速度非常快。

18世纪的推测：暗星

约翰·米切尔和皮埃尔·西蒙·拉普拉斯的想法是，他们想象质量越来越大的恒星，其表面的引力极大，以至于逃逸速度超过光速，那么你就无法看到它们了。拉普拉斯的论文中有一段精彩的引言，他说“宇宙中最大的物体可能由于其大小而 বিপজ্জনক”，这是在18世纪80年代或90年代说的。因此，他想象恒星的引力极大，甚至连光都无法逃脱，你也看不见它，即“暗星”。

经典物理学与现代黑洞概念的联系

但实际上，他们忽略了一些东西，这并不奇怪，因为这听起来几乎是自相矛盾的，但你也可以通过挤压物体来增加物体表面的逃逸速度。事实证明，如果你把地球挤压下去，直到它变得半径小于一厘米，那么地球表面的引力就会非常大，光就无法逃脱。这本质上就是黑洞的现代概念。现在，米切尔和拉普拉斯的计算或想象是基于牛顿物理学的。

广义相对论与黑洞的数学描述

在爱因斯坦之前，我们来到1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，这是一个不同的模型，一个更好的引力理论，事实证明黑洞也存在于广义相对论中。但爱因斯坦的理论中也存在这样一种观点，即存在可以被压缩的物体，从而可以捕获光。第一个预测到这种现象或者至少推导出描述黑洞的数学原理的物理学家，尽管他并不知道黑洞的存在，他名叫卡尔·史瓦西。史瓦西所做的就是为爱因斯坦方程提供一个精确的解，该方程描述了恒星区域内空间和时间的扭曲，或者至少是理想化的恒星，即一个完美的球形非旋转物质球。

施瓦西解与时空扭曲

虽然施瓦西的解决方案描述了这​​种物体之外时空发生的情况，尽管施瓦西当时并没有这样想过，但他的解决方案还描述了，如果完全移除恒星，但留下它的印记，那个空间会是什么样子。这本质上就是现代相对论黑洞的理论描述或模型。

黑洞研究的进展与早期疑虑的消解

虽然施瓦西的解决方案描述了最简单的黑洞模型，但人们直到后来才真正从这些方面思考。例如，在20世纪30年代，爱因斯坦和他的同事罗森探索了时空，并建立了时空模型。但可以肯定的是，直到20世纪30年代末，实际上是战后直到20世纪60年代，大多数物理学家都认为这种东西不会存在于自然界中。因此，从理论上讲它们很有趣，但从实践上讲可能并不有趣。原因是制造这样的东西。拥有一个空间和时间模型来描述这个被称为黑洞的物体是一回事，因为连光都无法从中逃脱。但大自然真正做到这一点又是另一回事。

恒星坍缩与黑洞的形成

如果回顾20世纪30年代，就会发现有很多论文，实际上罗伯特·奥本海默和他的学生斯德在战前写了一篇非常著名的论文，探讨宇宙中一颗真实的恒星在其生命末期是否能够无限制地坍缩，形成这种几何形状，我们称之为黑洞。就在战争爆发前，奥本海默和斯德证明，在某些假设下，恒星可以表现出这样的行为。但直到20世纪60年代罗杰·彭罗斯、斯蒂芬·霍金等人的研究，我们才真正开始相信大自然会创造这些东西。我非常怀念亚瑟·爱丁顿说过的：“大自然会阻止这种荒谬的事情发生。就是这样。大自然会阻止它。”事实证明，大自然并不能阻止这种情况发生。我们现在知道，我们已经观察到，恒星确实会坍缩形成黑洞。

事件视界：边界与时空的停止

然后理论物理学继续发展。所以人们接受这些事物应该存在。越来越多的证据表明，它们确实存在于星系中心和坍缩恒星的观测点。但我们必须面对后果。这对我们理解宇宙意味着什么？如果存在这些物体，其空间和时间的行为方式会非常奇怪，光会被困住，任何落入其中的物体似乎都会被永远锁在宇宙之外。那么，黑洞周围有一个事件视界。从某种意义上说，它定义了外部宇宙和黑洞内部的边界。事件视界非常简单，有点随意，但这是一个合理的描述。就像你可以在太空中想象一个球体，如果你跨越边界进入这个球体的内部，那么即使你能以光速飞行，你也无法逃脱。因此事件视界将黑洞内部与外部宇宙分隔开来。

时间在事件视界上的停止与相对论的解释

事件视界的另一种描述认为，从外部看，事件视界是空间中时间停止的地方。这是从外部视角对爱因斯坦相对论的直接预测。例如，如果你看到一名宇航员坠入黑洞，那么从你的外部视角来看，你会看到他们的时间过得越来越慢，随着宇航员接近黑洞，时间在地平线上停止。这在早期向许多人表明恒星不可能会坍缩形成黑洞。但从宇航员坠入黑洞的角度来看，对于像我们在星系中心发现的那种足够大的黑洞，宇航员在越过地平线坠入黑洞内部时根本不会注意到任何事情。因此，在坠落的宇航员的手表上，时间以每秒1秒的速度流逝，但从外部视角来看，时间在地平线上冻结了。

奇点：时空的终结

然而，黑洞的核心问题仍然未解决：中心是什么？纯粹在爱因斯坦的广义相对论中，谈论黑洞的中心实际上是不正确的。那么我们想象的是什么？这就是所谓的奇点。您可能会认为它是一颗大质量恒星坍缩成的密度无限大的点。但这实际上变成了一段时间中的一个瞬间，即时间的终结。因此，描述恒星坍缩形成黑洞时发生的情况的一种方式是，空间和时间被严重扭曲，以至于它们角色互换了。我们所认为的密度无限大的点、空间中的一个位置、恒星坍缩中心的中心，实际上变成了一段时间中的一个瞬间和时间的尽头，即奇点。但事物的本质过去和现在都未被理解。所以这是一个巨大的谜团，人们早就接受了这样的观点：我们需要一个所谓的量子引力理论，一个更深层次的引力理论来解释奇点。

霍金辐射：黑洞并非全然黑暗

黑洞研究的伟大革命是注意到黑洞事件视界实际上存在概念问题，它始于20世纪70年代中期斯蒂芬·霍金的工作。不在这个极端的地方，不仅在奇点的极端的地方，而是在地平线上。这确实是一个真正的挑战，而且非常有趣，因为我们认为我们现在理解的自然法则之间存在根本的原理冲突。这就是为什么黑洞事件视界和黑洞本身变得如此迷人和重要的原因。顺便说一下，我们思想中的现代革命仍在继续，对黑洞和量子引力的理解确实始于斯蒂芬·霍金在20世纪70年代中期所做的工作。斯蒂芬·霍金用他自己的话表明，黑洞并不像是纯粹的几何体，它们会发光，它们会产生颗粒，它们有体温。这种现象被称为霍金辐射。

霍金辐射的机制与信息悖论

霍金的手势描述是：想象放大黑洞事件视界附近的空间。如果放大任何一块空间，就像一系列粒子一直在存在和消失一样。所谓纠缠粒子。因此，粒子始终存在又消失。您可能遇到这种情况：其中一个粒子位于事件视界的内部，而另一个位于外部。然后就会发生这种情况：外面的那个粒子不再与它的伙伴合并，而是逃入宇宙，带走黑洞的能量。这种粒子雨、这种粒子辉光被称为霍金辐射。结果是，黑洞在发光，它正在损失能量。因此，它正在缩小，这意味着有一天它会消失。所以黑洞并不是永恒的监狱。它们有一生。有一天，那里的一切都会回归宇宙。

信息守恒的挑战

这些计算立即提出的核心问题是：掉进去的东西都怎么了？物质以某种方式到达奇点。无论那是什么，时间的尽头，一个时空区域，它是如此复杂和扭曲，以至于我们根本不明白如何描述它。但有一天，一切都消失了。遥远的未来只剩下霍金辐射了。问题是，如果可以收集黑洞整个生命周期中的所有辐射、所有霍金辐射，那么从原则上来说，黑洞整个历史中落入黑洞的所有物体的所有信息是否可能在遥远的未来被印在辐射中。在物理学中，信息是守恒的。因此，我们所掌握的每一条自然法则都表明信息是守恒的。问题在于，斯蒂芬·霍金对这些黑洞蒸发方式的初步计算表明信息不守恒。据说黑洞是信息的擦除器。一旦黑洞消失，那么即使在原则上，你也不可能了解任何关于落入其中的东西，包括坍缩形成黑洞的恒星。因此，信息擦除器是我们所知的自然界中唯一的“信息擦除器”。这是史蒂芬·霍金对黑洞的初步理解，被称为黑洞信息悖论。