1978年,天體物理學家讓-皮埃爾·盧米涅給出了黑洞事件視界的第一幅圖像。當然,這不是一張真正的照片,而是他利用自己的數學知識和相關技術以及60年代的一臺IBM 7040穿孔卡片計算機對黑洞景象進行的電腦模擬。盧米涅用鋼筆和印度墨水在底片上描繪了模擬黑洞的樣子,整個過程就像是一臺人體打印機。

而北京時間4月10日21時,由全球多國科研人員合作的事件視界望遠鏡(EHT)宣布了一項與超大質量黑洞照片有關的重大成果,人類首張黑洞照片在全球同步發布。

早在一百多年前就已經有科學家提出了黑洞的假想,百余年來,人類探尋黑洞的腳步從未停歇,各種理論也試圖去揭示黑洞的奧秘。此次黑洞照片的公布是否驗證了他們的假想?

1915年,愛因斯坦發表了廣義相對論,在這一理論中提到了一種體積極小而質量極大的天體,其有著極強的引力,以至于周圍一定區域內連光都無法逃逸。這個被假想出來的天體被稱為“黑洞”,這一區域被稱為“事件視界”。在黑洞中,光都很難“逃逸”,更遑論速度低于光速的其他物質。當光線在強引力場作用下會出現拉伸現象,波長變長,向紅波方向偏移,這種現象被稱為引力紅移效應,這也被認為是檢驗廣義相對論強引力場理論的“完美實驗室”。也就是說,早在100多年前,愛因斯坦就預言宇宙中存在一種質量極大的天體——黑洞。

而近代,物理學家斯蒂芬·霍金提出了兩大與黑洞息息相關的理論,一個被稱為“霍金輻射”,另一個被稱為“黑洞信息悖論”。

霍金輻射簡單來說就是如果在黑洞的邊界,即視界上,有一瞬間產生的反粒子被黑洞吸收,那么與該反粒子成對、本該同步湮滅的粒子則可能不會湮滅,而成為了一個持續存在的真實粒子。從外界的角度看,就類似于黑洞發射出了一個粒子。中國科學院國家天文臺研究員、黑洞及其高能爆發現象研究小組負責人茍利軍介紹,根據經典廣義相對論,黑洞沒有任何輻射,也不會有光子輻射出來,它所對應的溫度應該為絕對零度。但是如果考慮到有光子輻射出來,那么黑洞就不再是一個沒有溫度的天體。

近幾十年來,物理學家一直在思索粒子信息在經過黑洞時會發生什么(這里的信息指的是粒子的所有特征,這個術語的意義與我們對信息的普遍釋義不同)。量子力學認為,信息不能被永久消滅,但如果信息進入黑洞后無法逃脫,實際上它就等于被消滅了。而這似乎違背了量子物理學定律。而霍金認為,傳統的黑洞研究只考慮了廣義相對論。但如果“疊加”上量子力學,則會發現,在空間的任一地方,都會存在粒子和反粒子對,它們會在瞬間產生和湮滅。這些粒子對的能量越高,壽命就越短。這個理論與廣義相對論在關于信息丟失與否上有所矛盾,所以也被人們稱為“黑洞信息悖論”。

黑洞身上背負著諸多有關宇宙的奧秘,而此次在對其驚鴻一瞥后,驗證了愛因斯坦廣義相對論。相信在之后對其進行不斷深入研究,將揭示更多秘密,也將驗證更多的理論,從而讓我們更好地了解宇宙、了解我們自身。

本作品為“科普中國-科技前沿大師談”原創,轉載時務請注明出處。

從廣義相對論到黑洞信息悖論 黑洞依舊神秘

圖文簡介

早在一百多年前就已經有科學家提出了黑洞的假想,百余年來,人類探尋黑洞的腳步從未停歇,各種理論也試圖去揭示黑洞的奧秘。此次黑洞照片的公布是否驗證了他們的假想?