黑洞的奇异性与量子世界和信息处理的联系

2019-02-26 14:42:12来源：新浪科技

新浪科技讯北京时间2月26日消息，据国外媒体报道，黑洞是宇宙中最奇特的现象之一。在这篇文章中，我们准备先将黑洞作为经典物理理论中的一类物体来讨论，即不考虑其可能拥有的量子效应及结果。就目前来说，其背后的经典理论便是爱因斯坦的引力论。它将空间与时间描述成一系列的场，其行为由爱因斯坦的等式决定。

自然有人会问，该理论是如何描述一个巨大球体(比如恒星)周围的空间和时间的?科学家卡尔•史瓦西(Schwarzschild)给出了答案。该理论在任何静态球体周围都成立，并且最关键的是，仅取决于物体质量。然而，如果该物体的质量全部局限在特定半径之内(名叫史瓦西半径)，就会发生非常奇特的现象。接着，在史瓦西半径划出的边界上，所谓的事件视界就会形成，黑洞便随之诞生。

在讨论黑洞的奇异性之前，让我们先来谈一谈黑洞形成的条件。史瓦西半径rs和质量M之间的关系非常简单，彼此成正比：rs = a x M。如果用标准单位进行测量，这里的a数值非常小。例如，对于一个质量与地球差不多的物体来说，其史瓦西半径只有9毫米左右!目前还没有任何已知的物理过程能够把地球压缩成这么小的体积，而且宇宙中也不大可能存在质量只有地球这么大的黑洞。而如果我们考虑更大质量的天体，情况就不一样了，因为天体质量越大，史瓦西半径之内的体积增长得就越快，即容纳该天体全部质量的空间增长得就越快。比如说，假如天体质量增加一倍，容纳其全部质量的空间就会变为原来的八倍。因此天体质量越大，就越容易形成黑洞。科学家已经知道，在巨大恒星生命末期，会有一些机制使其转化为黑洞。而当这些由恒星形成的黑洞发生合并时，还会形成质量更大的黑洞。

再说回黑洞的奇异性。其实，如果我们离黑洞足够远的话，黑洞和其它质量相同的天体并没有太大不同。唯一值得一提的不同之处在于，黑洞不会发出任何光线。有趣的是，如果我们靠近黑洞，时间对我们而言便会流逝得越来越慢。但这种效应无法被直接检测到。不管我们带上什么时钟，从我们的角度来看，它们的运作都完全正常。只有当我们从黑洞返回后、与黑洞远处的时间进行比较，才能看出区别来。事实上，任何巨大天体都会产生这一效应，不只是黑洞独有的特征。爱因斯坦的等式描述了时间的表现方式，在球体之外，时间的流逝仅与天体质量有关。但对其它天体而言，我们可以真正接近、甚至进入该天体。一旦到了天体内部，时间的流逝便会受其内部的特定情况影响。像时间膨胀这样的效应不会无限制增加。但随着我们离黑洞越来越近，该效应的确会无限制增加，直到我们到达前面提到的事件视界为止。

穿过事件视界会产生严重后果。假如我们认真考虑无限时间膨胀这种可能性，当我们穿越事件视界的一瞬间，对视界外的一切物体而言，时间都顿时流逝一空，一切物体都就此终结。而我们一旦进入黑洞，便再也无法回头。这点在史瓦西的半径理论中体现得非常明显。在黑洞外的世界中，时间只能向前行进，这是爱因斯坦理论的基本特征。而在事件视界之内，时间只能沿径向前进，也就是说，我们只能遵循这一方向，不断朝黑洞中央进发。这条路绝对有去无回，就连人类能想象出的最强大的火箭也无法阻止我们朝黑洞中央飞去。到了黑洞中央，引力将强大到无法想象，最终黑洞的量子特征和引力本身都必将露出其真面目。

不过，黑洞的其它量子特性倒是可以被早早观测到。下文中将对此讨论一二。

与量子世界和信息处理的联系

上文提到，史瓦西对爱因斯坦等式给出的答案仅取决于天体质量。但当该天体坍缩成为黑洞时，与其有关的一切信息会如何呢?天体由多种粒子构成，有特定的温度、物质分布、辐射谱线等等，这些都是天体拥有的信息。如果只考虑经典世界，那么在黑洞形成之后，这些信息都将被隐藏在事件视界之后。这样一来，黑洞外的人就彻底无法追踪这些信息了。在经典世界中，这并不是个大问题。顶多是无法获取这些信息有些遗憾而已，但并不会影响该理论的一致性。

但我们知道，这个世界并不是一个经典意义的世界，我们对量子理论的了解也已经初具规模。霍金利用量子理论证明，黑洞事件视界附近的量子效应可以使粒子持续不断地从黑洞中向外流出。黑洞会发出辐射，因此长此以往，质量必定会有所减少。如果等得足够久，黑洞最终要么会完全蒸发，要么留下些许残余。

那么在黑洞蒸发之后，其中的信息都去了哪里呢?在对黑洞的描述中加入一些“量子性”之后，这个问题就显得非常重要了。如果对量子信息妄加处理，很容易破坏理论的一致性。比如说，信息必须在黑洞内部迅速传播开来，否则量子态就可能得到复制，而这在任何具有一致性的量子理论中都是被绝对禁止的。说实话，对于黑洞如何处理量子信息的问题，物理界尚未达成一致。有一种可能性是，这些信息也许隐藏在霍金辐射中。如果我们能等得足够久，收集到足够多的霍金辐射，也许就能从中找回我们想要的所有信息。不过，这又会牵涉到更多不切实际的实验。如果能找到一种令人信服、自洽、并且与量子世界有所关联的黑洞描述，将是我们朝用量子理论描述引力迈出的重要一步，也将是理论物理学迈出的最重要的一步之一!

最后再来谈谈量子效应对黑洞的重要性。假设有一个质量为太阳四倍的、由恒星形成的普通黑洞，其霍金辐射换算成的温度大概只比绝对零度高几亿开尔文。因此量子效应对该黑洞的日常物理表现几乎没有任何影响。任何由恒星形成的(甚至质量更大的)黑洞都是如此。接下来，再想象有一枚重约5克的硬币。这枚硬币的量子效应对它的物理表现也没有重大影响，其物理表现几乎完全可以用经典理论来解释。不过，假设有一个质量和这枚硬币差不多的黑洞，情况就大不一样了。作为一个(部分程度上)的量子物体，它在须臾之间就会辐射、蒸发殆尽。而在其质量转化为能量的过程中，会创造一场强度达广岛原子弹3倍的巨大爆炸。在这种情况下，黑洞的量子效应便会发挥巨大作用，并且比在一般情况下早得多。(叶子)

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