黑洞不太黑 也不是普通的洞

今天的观点

4月10日，一条新闻让物理世界沸腾了:位于世界各地的事件地平线望远镜(EHT)拍摄的第一张黑洞图像于当天“发布”。黑洞，这个幽灵般的天体，正以一种霸道的方式再次侵入我们的视野。

它是在时间和空间中形成的一个“洞”，不断吞噬周围的物质并提高自身质量。它也是光子的“笼子”。它贪得无厌，无休止地吞噬周围的一切...这是世界绘制的黑洞的经典图像:既残暴又贪婪。但事实真的是这样吗？

黑洞是如何形成的:重力原因

中国科学院国家天文台的研究员陆友军告诉《每日科学》:“目前清楚的是，恒星质量的黑洞是恒星坍缩的残余。然而，大质量黑洞可能是由其他机制产生的中等质量黑洞的吸积形成的

所有的恒星都是核聚变反应堆，核聚变过程提供了恒星生命的大部分能量。然而，最终，核燃料耗尽，中心产生的能量不再能抵抗巨大的外壳重量。重力开始占据主导地位。

1928年，印度研究生莎拉·马年·钱德拉塞卡来到剑桥学习天文学。在途中，钱德拉塞卡计算了一颗恒星在耗尽所有燃料后，能够持续抵抗自身重力并维持自身的大小——这就是所谓的“钱德拉塞卡极限”，它大约是太阳质量的1.44倍。

陆佑军解释道:“这个极限对于大质量恒星的最终目的地来说意义重大。一般来说，如果一颗恒星的质量小于太阳的9倍，它最终会形成一颗白矮星。质量约为太阳9-25倍的恒星将演化成超新星，并最终坍缩成中子星。质量超过太阳25倍的恒星将形成黑洞。”

当恒星收缩到某个临界半径(“史瓦西半径”)时，其表面的重力变得如此之强，以至于光线无法逃逸。

根据相对论，没有什么能比光走得更快。如果光无法逃逸，其他事情就更不可能了:所有东西都会被引力场拉回。这样，就有了一个事件的集合或者一个时空区域，光或者任何东西都无法从这个区域逃逸到远处的观察者那里——这个区域叫做黑洞，它的边界叫做事件视界。

黑洞对所有人开放？有些人对食物非常挑剔。

一些黑洞是贪婪的食客，吸入大量气体和尘埃；而其他黑洞对食物非常挑剔。

例如，这次EHT任务的主要目标，位于银河系中心的半人马座A*黑洞，似乎对食物非常挑剔。尽管它的质量是太阳的400万倍，它的吸积盘却出人意料地暗淡。吸积盘由气体、分散的物质等组成。它围绕黑洞或中子星旋转，从远处看像一个扁平的圆盘。

EHT观测的另一个目标——M87星系中的黑洞是一个贪婪的食客，其质量是太阳质量的35亿到72.2亿倍。它不仅有一个非常明亮的吸积盘，而且喷射出明亮而快速的带电亚原子粒子流，延伸约5000光年。

它也是一个超大质量黑洞。为什么“暴食”的程度如此不同？这是一个困扰天体物理学家很久的问题。

陆佑军解释道:“原因是不同星系核心的环境不同。一些星系中心受到星系碰撞和*黑洞附近气体沉积等过程的干扰，为黑洞提供了丰富的食物。虽然一些星系在中心区域相对稳定，但只有少量气体能够到达黑洞附近，这使得黑洞必须仔细称重。”

黑洞只能从远处看:把人变成“面条”

虽然人们对黑洞的热情很高，但它们只能从远处看到，无法接近，否则后果会很严重。简而言之，如果你离黑洞太近，你会像意大利面条一样被拉长。这种现象有一个非常有创意的名字“意大利面条效应”。产生这种效应的原因是施加在人体上的重力因地而异。

如果你脚朝下飞向黑洞，因为你的脚离黑洞更近，它会比头部受到更大的重力。更糟糕的是，由于手臂不在身体的中心，它们伸展的方向与头部的方向略有不同，你身体的边缘会被拉进身体。最终的结果是你的身体不仅变长了，而且变瘦了。因此，在你(或其他物体)到达黑洞中心之前，你很早就变成了“意大利面条”。

不是“永恒的笼子”:信息可以逃离它

经典黑洞理论认为，任何物质或辐射都不能从黑洞中逃逸。量子力学理论表明，落入黑洞的信息是可以恢复的。这种所谓的“信息悖论”困扰了科学界40年。

2016年1月，霍金等人提出，落入黑洞的粒子的信息部分并没有消失，一些信息将以不同的形式发布，但很难恢复和破解。

事实上，霍金早在2015年3月就修改了黑洞理论，声称黑洞实际上是“灰色的”新的“灰洞”理论认为，物质和能量在被黑洞捕获一段时间后，会再次释放到宇宙中。霍金还指出，黑洞不是“永恒的笼子”，一些信息将以不同的形式发布。

后来，霍金与哈佛大学的安德鲁·斯特罗姆格和剑桥大学的马尔科姆·佩里一起提出了一个新理论:允许信息逃逸的黑洞裂缝由“软带电毛发”组成，这是由位于视界的光子和引力子组成的粒子。这些能量极低甚至为零的粒子可以捕捉和储存落入黑洞的粒子的信息，就像人类的鼻毛可以捕捉灰尘一样。这意味着，尽管落入黑洞的粒子可能已经“来来回回”了，但一些信息存储在这些“软毛”中，并继续在黑洞边界附近徘徊。

霍金解释道:“我认为信息并不像大多数人认为的那样储存在黑洞里，而是储存在视界里。进入黑洞的粒子的信息确实返回到了空间，但是以一种混乱和无用的形式。返回的信息类似于烧毁的百科全书。理论上，信息没有丢失，但很难翻译和破译。”

黑洞的最终命运:还是随着时间蒸发

霍金在1973年研究弯曲时空的量子场论时发现“黑洞不是黑的”。最初经典的“一毛不拔”黑洞理论也可以通过黑洞量子力学中的某种机制发射黑体辐射，这就是霍金辐射！

尽管霍金的想法在首次提出时受到广泛质疑，但大多数科学家得出结论，如果我们关于广义相对论和量子力学的其他想法是正确的，那么黑洞必须像热体一样发射粒子和辐射。

但是我们也知道，没有什么可以从黑洞的视界中逃脱。黑洞如何能发射粒子？量子理论给我们的答案是，粒子不是来自黑洞内部，而是来自黑洞视界之外的“空”空间。

霍金在《时间简史》中解释道，“空”的空间充满了虚拟粒子——反虚拟粒子对。他们一起被创造，彼此分离，然后一起返回并被消灭。如果黑洞存在，具有负能量的虚拟粒子可能会落入黑洞，成为真实粒子或反真实粒子。在这种情况下，它不再需要和它的伙伴互相消灭。它被遗弃的伙伴可能会掉进黑洞。或者因为它有正能量，它也可以作为真实或反真实的粒子从黑洞附近逃逸。

此外，黑洞的质量越小，温度越高。这样，随着黑洞失去质量，它的温度和发射率增加，导致质量损失更快。因此，小质量黑洞，霍金辐射很强，它们蒸发很快，质量为1015克的黑洞蒸发所需的时间与宇宙的年龄相似。

由于从黑洞逸出的辐射太不确定，“霍金辐射”很难证明。然而，根据外国媒体2016年4月底的报道，来自美国和以色列的两个独立研究小组表示，他们已经发现了足以支持“霍金辐射”理论的明确证据，但相关研究仍需进一步证实。

在物理学界的江湖中流传着许多关于黑洞的传说。只有等待时间和科学来检验它是真是假。