黑洞的陌生性

黑洞研究所介绍

恰好，黑洞倡议(BHI)是在卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)解出爱因斯坦广义相对论方程100年后成立的，这个方程在第一个天文学证据证明黑洞存在的几十年前就描述了黑洞。作为一种奇异的时空结构，黑洞持续吸引着天文学家、物理学家、数学家、哲学家和普通大众，对其神秘的本质进行了一个世纪的研究。

BHI的使命是跨学科的，为此，我们赞助了许多活动，为不同学科的研究人员之间的互动创造环境。哲学家与数学家、物理学家和天文学家交谈，理论家与观察家交谈，一系列预定事件为人们定期聚会创造了场所。

举个例子，对于我们关心的一个问题，考虑一下黑洞中心的奇点，它标志着爱因斯坦引力理论的崩溃。在量子力学的背景下奇点是什么样的?最有可能的情况是，它会出现在一个极小的体积内，是一个巨大质量(天体物理黑洞的质量比几个太阳质量还要大)的极端集中。吸干落入天体物理黑洞的所有物质的蓄水池的大小是未知的，这也是BHI学者工作中尚未解决的问题之一。

我们很高兴地展示一系列论文，这些论文被我们的高级学院仔细选择了许多申请到Bhi的第一篇论文竞赛。获胜的散文将在此发布鹦鹉螺在接下来的五周内，从第五位装订器开始，并致力于第一名终结者。我们希望你会像我们一样喜欢它们。

-abraham（AVI）LOEB
弗兰克B. Baird，JR.哈佛大学理学教授
赫瓦德天文部门椅子
黑洞倡议（BHI）创始总监（BHI）

B.缺乏洞是我们宇宙中最奇怪的现象。在这里，我们首先想要将它们作为经典物理理论的对象讨论，经典意味着我们忘记了所有可能的量子效应及其后果。在现在的情况下，潜在的经典理论是爱因斯坦的重心理论。它描述了eInstein方程的行为的一系列字段的空间和时间。

要问的一个自然问题是这个理论如何描述像星星一样的巨大球形物体周围的空间和时间？Schwarzschild发现了这一点。它在任何静态圆形对象周围有效，显着只取决于其质量。然而，当所有这些质量包装在施瓦茨柴尔德以后的特定半径内时，可能会发生相当奇怪的事情。然后在Schwarzschild Radius上表现出所谓的活动地平线，我们开始谈论一个黑洞。

在我们在黑洞的陌生度下揭示了更轻的光线之前，让我们试图为可以出现的黑洞的情况进行一些直觉。Schwarzschild半径R._S.和大众m球形对象具有非常简单的关系：它们彼此成比例，R._S.=一种Xm， 和一种当我们按标准单位衡量时非常小。让我们例如考虑具有大量地球的对象，然后其Schwarzschild半径仅由大约9毫米给出！没有人知的物理过程在其中可以将所有地球压缩太多，并且它非常不太可能有许多（如果根本）的黑洞，具有地球的质量。当我们考虑更大和更大的群众时，情况会发生变化。这是因为Schwarzschild Radius中的体积，即我们可以存储所有质量以形成黑洞的空间，增加得多。事实上，如果我们的群众倍增，我们会有大约八倍的卷来存储它。黑洞的形成变得更加较大。众所周知，在非常大的恒星的寿命结束时存在机构，其导致形成所谓的恒星黑洞。即使是较重的黑洞也可以例如在恒星合并时开发。

让我们回到黑洞的承诺陌生。实际上，如果我们远离黑洞，它与相同质量的任何其他恒星物体都没有太大。唯一的差异是，我们没有看到源自黑洞的光。当我们更接近它时，发生了一个有趣的效果，是我们对我们远离黑洞的人来的时间。然而，效果不是直接的方式易行的。我们随身携带的任何时钟都与我们的角度完全没关系。只有当我们回到远离黑洞的地方并比较过去的时刻我们可以看到差异。事实上，这种效果实际上，对于我们接近的任何巨大的物体，不仅是黑洞的特征。请记住，对爱因斯坦的方程式的解决方案，特别是告诉我们时间的行为如何，在球面上只取决于其质量！但是，对于任何不是黑洞的恒星物体，我们将在某些点到达该物体并进入它。 Inside of it the solutions do depend on its specifics. One can show that effects like time dilation cannot increase further arbitrarily. If we, however, come closer and closer to the black hole the effect will grow without a bound until we reach the previously mentioned event horizon.

越过事件视界会有一些严重的后果。如果我们认真地拿后一个无界时间膨胀的观测为例，我们就会得出这样的结论:在我们停留在视界的那一刻，所有的时间都经过了黑洞之外的任何事物。所有事物的终结都发生在宇宙的其余部分，事实上，在我们进入黑洞的那一刻之后，就没有回路了。这在史瓦西解的一个显著而奇怪的特征中也可见。如果我们把它在视界内外进行比较，就会发现全球时间和径向方向的意义是相互转换的。在黑洞之外的世界里，一切人和事都必须在时间里前进。这是爱因斯坦理论的一个基本特征。在视界内，径向取代了时间的位置，结果是，无论如何，我们都必须朝这个方向前进，向前意味着向黑洞的中心前进。真的没有回头路了!即使是我们能想象到的最强大的火箭也无法阻止我们最终到达黑洞的中心，在那里引力变得无比强大，最晚黑洞的量子特征和引力本身必须显现出来。

然而，黑洞的其他量子方面将更早地看到。其中一些人将在下面讨论。

与量子世界和信息处理联系

我们以前已经看到，Schwarzschild的解只取决于物体的质量。但是，关于坍缩成黑洞的物体的所有信息会发生什么呢？它由许多不同的粒子组成，有温度、物质分布、特定的辐射光谱等等。如果我们只相信经典世界，那么所有这些信息都隐藏在黑洞形成后的视界后面。那么，黑洞之外的任何人都无法控制它。在古典世界，这不是一个大问题。最可悲的是，黑洞之外的任何人都无法获得信息，但却没有引起有关理论一致性的问题。

然而，我们知道，我们的世界实际上不是一个经典的世界，我们关于量子理论的知识，至少描述了我们宇宙中的普通物质，是相当不错的。利用这一知识，霍金可以证明，在黑洞视界附近的量子效应会导致粒子不断离开黑洞。黑洞会辐射，因此，随着时间的推移，质量一定会减少。如果我们等待足够长的时间，黑洞要么完全蒸发，要么只剩下一些微小的残余。

蒸发后的所有信息在哪里？现在我们在黑洞的描述中包括一些量子，这个问题变得非常重要。无意中处理量子信息很容易导致不一致。例如，信息必须在黑洞内部传播得非常快。否则可以复制量子状态，这在任何一致的量子理论中严格禁止。说实话，物理社区没有真正的共识，关于黑洞如何处理量子信息。一种可能性可能是它隐藏在其抱怨的辐射中。如果我们等待足够长并收集足够的金额，我们可能能够重新获得我们想要的所有信息。但是，还有更多格丹肯实验关于类似问题。找到一个与量子世界接触的黑洞的令人信服且自洽的描述可能是朝向引力本身的量子描述迈出的重要一步。这可能是理论物理学的下一个重要步骤之一！

最后，让我们试着获得一些关于黑洞的量子效应有多重要的直觉。如果我们首先考虑一个普通的恒星黑洞，比如说太阳质量的四倍，那么它的霍金辐射只能与绝对零度以上的温度大约第一百一百万Kelvin *有关。因此，它在描述黑洞的日常物理过程中几乎不起任何作用。这对于任何恒星（甚至更重的）黑洞都是如此。接下来，让我们考虑一枚硬币，比如说，五克。这枚硬币的量子效应在它的日常物理学中并没有扮演任何重要的角色。经典理论几乎可以完美地描述它。然而，如果我们考虑一个相同质量的黑洞，事情看起来就大不一样了。作为一个（部分）量子物体，它在一秒钟内辐射和蒸发。它的所有质量都转化为能量，从而产生的爆炸强度是投在广岛的炸弹的三倍。我们看到，对于黑洞来说，量子效应比在一般情况下对物质起作用的时间要早得多。

恩里科·布雷姆是波茨坦阿尔伯特·爱因斯坦研究所的博士后。他在斯图加特和海德堡完成了本科学业，之后他加入了慕尼黑大学的弦理论小组，在伊尔卡·布伦纳的指导下攻读博士学位。

这篇文章在黑洞研究所的论文比赛中放了五分之一。

* Kelvin是物理学中温度的标准测量。温度的一个开尔文的变化与一度摄氏度的变化相同。

工具书类

1.爱因斯坦，A. Die Grundlage dergemeinenRelativitätstheorie。尤其是物理学354., 769 - 822(1916)。

2.黑洞产生的粒子。数学物理学的通信43，199-220（1975年）。

3. oppenheimer，J.R.＆Volko，G.M.在大规模中子核心上。物理回顾55, 374-381 (1939).

4. Schwarzschild，K。根据爱因斯坦的理论，质量点的引力领域。阿布。科尼格尔。普劳斯。阿卡德。维森查芬酒店189 - 196(1916)。