黑洞之谜

篇一：霍金与黑洞之谜

霍金与黑洞之谜

[摘要]

自史蒂芬·霍金提出黑洞理论以来,虽然黑洞的存在与否至今尚未得到验证,但是由此而引发的围绕"黑洞理论"而生的各种观点层出不穷,本文在对黑洞进行基本概述的基础上,分析其特性,并就目前黑洞研究中的"信息佯谬"与"奇性困难"两个争论比较激烈的问题进行探讨分析.并进一步就最近发现的具有强磁场的中子星进行探索,由此对黑洞的诞生理论形成巨大挑战.

[关键词]

黑洞理论 信息佯谬

[正文]

霍 金 （１９４２— ？），英国 理论物理学家，世界公认的引力物理科学巨人。科学界经常把霍金与牛顿、爱因斯坦相提并论。霍金在剑桥大学任牛顿曾担任过的卢卡逊数学讲座教授之职，他对量子宇宙论的发展作出了杰出的贡献。１９７４年，当选为英国皇家学会最年轻的会员。

2004年7月21日，英国科学家霍金宣称他已经解决了黑洞信息悖论(又称黑洞信息佯谬)，这立即成为轰动一时的头条新闻。黑洞信息悖论是他本人于1976年发现的。然而近三个月以来，知名科学家纷纷对他的新论表示怀疑，物理学界对于霍金新论的反应可以用一句话来概括：“请告诉我们具体的证明方法”。

在都柏林举行的第17次广义相对论研讨会上，尽管霍金提交了

描述这一新理论的提纲，但以数学方法研究物理问题著称于世的他，至今并未发表论文阐释其理论的具体数学推演步骤。

在了解霍金如何解决黑洞信息悖论前，先回顾一下这个悖论的产生。所谓黑洞，是时空的一个区域，这个区域内的引力非常强大，以至于任何东西，甚至光都不能从中逃逸出来。长期以来，科学家们认为黑洞会吞噬一切。但1974年，霍金提出，黑洞一旦形成，就会“蒸发”辐射出能量，同时损失质量，这种辐射亦称为“霍金辐射”。 霍金这一理论是黑洞研究中的一个重大进展。但与此同时，他又制造出了一个新的难题。霍金在1976年的另一篇论文中对此做出阐述：黑洞辐射并不含有任何黑洞内部的信息，在黑洞损失殆尽之后，所有信息都会丢失。而根据量子力学的定律，信息是不可能被彻底抹掉的，霍金的说法产生了矛盾，这就是“黑洞信息悖论”。

当时霍金辩称，黑洞的引力场过于强大，量子力学的定律并不适用，但他这种解释并不令学术界感到信服。哈佛大学物理学家施特勒明格就直言“我并不相信霍金1976年的理论，尽管我不知道他的计算到底错在哪里”。

大约10年前，物理学家发现了用弦理论分析黑洞的方法，这种方法得到科学界的普遍认可。分析结果显示，弦理论同霍金的理论产生了冲突。不幸地是，弦理论也并未表明霍金1976年的推演错在哪里。那么结果自然是：要么霍金错(但物理学家认为他的论证简洁而优美)，要么弦理论的假设之一是错误的(该理论本应是对世界本源的一个巨大发现)。

与1976年的分析方法不一样，霍金新理论所使用的方法是基于普林斯顿大学理论家马德西纳的最新研究成果。简言之，霍金认为，假如经过很长的时间段，黑洞完全蒸发时，幺正性(量子物理学的最基本属性)和信息都能被令人满意地保存住。仅仅在中间阶段，那时黑洞仍在蒸发，将出现信息丢失的情况。但是这一分析并未详细表明信息如何出现，也未表明他是怎样调和1976年理论与较近时弦理论计算结果间的矛盾。

这令许多物理学家丈二和尚摸不着头脑。耶路撒冷希伯来大学的贝肯施泰因教授说，“我当时虽在都柏林与会，但根本不知所云，我的同行们也有同感”。加州理工大学索恩教授称，这“可能需要专家们费时数年才能达成一致看法”。有一些专家对霍金尚未发表论文就急下断言的态度表示不满，但也有一些人对霍金现在终于赞同弦理论家坚持了10年的理论而感到暗自得意——尽管霍金的本意并非如此。像贝肯施泰因这样的一些人认为，早在霍金新论出现之前，信息悖论就已经被解决了。

但其他人则认为，即使是由霍金和线性理论一起来论证，也未必就已万事大吉。哈佛大学物理学家瓦法认为，若要清楚地解决这一悖论还有许多研究要做：“黑洞幺正性问题牵涉这么多方面，很难相信一篇论文就能全部解决——不管这篇论文的作者是谁！”

参考文献

《霍金传》 作者: （英）怀特

《探索宇宙奥秘的思想家霍金》作者: 张友谊著

篇二：“碳黑洞”之谜

揭开“碳黑洞”之谜

2013年12月12日 10:28来源：人民网-人民日报

中科院新疆生地所科研人员在新疆阜康古尔班通古特沙漠上工

作。

新华社记者 金立旺 摄

本报记者 吴月辉

之前，科学家们在全球碳平衡研究和估算中发现，有近20%的二氧化碳排放去向不明。这些消失的二氧化碳究竟去哪了呢？ 日前，中国科学院新疆生态与地理研究所科学家领衔的科研团终于揭开这一“碳黑洞”谜题。他们的研究首次证实：荒漠盐碱土以无机方式大量吸收二氧化碳，这些被吸收的二氧化碳最终的归宿是地下

咸水层，因而存在一个巨大的活动无机碳库。原来，地球上除了海洋、土壤、大气和植被之外，还存在着这么一个巨大的“碳库”。

随着大气二氧化碳浓度增高以及全球温度不断上升，碳循环成为全球变化研究的焦点。其中，全球碳平衡是核心问题之一。

在节能减排中，必须了解碳的排放量及去向，而科学家在全球碳平衡研究和估算中却发现，有近20%的二氧化碳排放去向不明，这就是全球变化与碳循环领域熟知的“CO2失汇”(Missing sink)问题，即“碳黑洞”问题。这些消失的二氧化碳究竟去哪了呢？20多年来，各国科学家们针对此问题，相继研究了海洋、森林、草地、农田、湿地和土壤有机碳，但一直毫无头绪。

日前，中国科学院新疆生态与地理研究所(下称新疆生地所)科学家领衔的科研团队经过5年攻关，终于成功破解了这一难题。他们的研究首次证实：荒漠盐碱土以无机方式大量吸收二氧化碳，这些被吸收的二氧化碳最终的归宿是地下咸水层，并初步估计干旱区地下咸水中存在1000PgC，即活动无机碳库。

基于这一科学发现而立项的国家973计划项目“干旱区盐碱土碳过程与全球变化”也于近日通过科技部验收。

荒漠盐碱土默默地以无机方式大量吸收二氧化碳

在过去的认识中，无论昼夜，由于土壤生物的呼吸作用，任何生态系统的土壤呼吸均为正值，这一过程是二氧化碳释放的过程。然而令人不解的是，2008年，新疆生地所的李彦研究员在进行对比盐生荒漠土壤与绿洲农田土壤(在同种盐生荒漠上开垦种植15年后形成)间的土壤呼吸差异的研究时，发现了一个奇怪的现象：盐生荒漠样地频繁观测到土壤二氧化碳通量出现向下的负值，这意味着二氧化碳正被荒漠地“吸入”而不是“呼出”。

“由于这一现象违反常规，我开始认为是由于仪器错误造成的。可是之后，经过与其他方式测定的结果比较，的确在夜间出现了二氧化碳负通量。”李彦说。

为进一步证实，李彦又采用纯石英沙、盐碱土溶液、高温灭菌后的盐碱土进行了呼吸的测定。结果发现石英沙没有出现二氧化碳负通量，但盐碱土溶液、高温灭菌后的盐碱土均出现了二氧化碳负通量，从而证实了盐碱土可以吸收空气中的二氧化碳。

这一发现一经公布，立即受到国际学术界的广泛关注。知名学术刊物《科学》认为“中国西部古尔班通古特沙漠二氧化碳通量的测量得出了一个令人吃惊的结论，荒漠盐碱土正在默默地以无机方式大量吸收二氧化碳。”

也有学者对此提出疑义，并在《科学》杂志撰文，质疑上述结论的可信度。文章认为该研究并没有解释清楚盐碱土吸收后二氧化碳的去向，夜间吸收的二氧化碳也许会在白天释放出来。

地下咸水层是被盐碱土吸收的二氧化碳最终归属地

为进一步解释盐碱土吸收二氧化碳的去向，破解“碳黑洞”问题，2008年10月，新疆生地所牵头，并联合德国、比利时的科学家以及中科院植物所、中国农业大学、兰州大学、石河子大学的研究者们成立了课题组，开始集中力量进行攻关。

科学家们研究了塔克拉玛干沙漠由沙漠边缘至中心的地下水中碳的年龄，发现由边缘至中心碳的年龄逐渐增加。结合其他研究证据，他们推论：由于新疆荒漠区特殊的山盆体系，荒漠绿洲地下水位高于沙漠，且在该区荒漠海拔一般高于沙漠。夜间当盐碱土吸收二氧化碳后，由于绿洲与沙漠交界处地下水的频繁活动，吸收的二氧化碳被盐碱水带至沙漠，并被深埋于沙漠之下，因而，形成了巨大的沙漠区地下咸水“碳库”。

“简单说就是，碳通过绿洲区农田灌溉淋洗和荒漠区洪水以及地下水波动，被带入地下咸水。地下咸水层就是干旱区物质的最终归宿地。”新疆生地所所长陈曦说，“无机碳的载体是灌溉洗盐的水，而

碳进入地下咸水的通道即为地下水之补给通道。水接触盐碱土变为咸水，咸水溶解、携带大量二氧化碳渗入地下咸水层，从而形成碳汇。”

之后，经过缜密的计算，基于中亚干旱区盐碱土无机吸收碳结果，科学家们估算出全球干旱区每年无机碳吸收为1.26PgC，即盐碱土吸收二氧化碳为12.6亿吨，是联合国政府间气候变化专门委员会估算失汇的19亿吨的70%。

至此，令人迷惑的“碳黑洞”被破解了。

荒漠—绿洲复合体成为海洋之外的又一个大“碳库”

科学家介绍说，大气中不断增高的二氧化碳，总归要排放到一些去处，这些去处，科学家们称之为“碳库”，以无机(碳酸盐、碳酸氢盐)或有机(碳水化合物)的方式存放，呈现一个不断变化的平衡状态。这个排放与存放过程，也就是碳循环的过程。

地球上的碳库主要是三大块：一是占全球表面积3/4的海洋，碱性海水对二氧化碳的无机吸收约为全球的一半；二是土壤，在土壤圈中，仅最上层1米以上的有机碳储量就在15000亿吨至16000亿吨，比大气(7500亿吨)和植被(5600亿吨)碳储量的总和还要多；三是大气和植被。

篇三：浅谈对黑洞的理解

物理与人类文明期末大作业

论文题目：浅谈对黑洞的理解

学院：管理学院

班级：工商122

姓名：张文姣

学号：1207010233

摘要：本文介绍了有关黑洞的一些问题,包括黑洞的起源、形成，处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。同时还介绍了一些对黑洞的误区；现在引发出对黑洞是否存在提出了怀疑。虽然现在我们对黑洞的认识很大程度上是在一定的猜想上进行的，但是终有一天人类会解开黑洞之谜。黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。

关键字：黑洞，黑洞理解误区，是否存在黑洞

一、黑洞的含义

黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无法摆脱的境遇。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内，而机界内的任何物质都不能跑到外面。

二、黑洞的形成

要了解黑洞是如何形成的，我们先对恒星生命过程作以简单了解：

众所周知：通常的恒星是靠万有引力的吸引效应将物质聚集在一起的。同时恒星内部的热核反应所产生的大量热能造成粒子的剧烈运动而形成排斥效应，当这两种效应达到稳定平衡时候，恒星将会塌缩。但是，由于热核反映能量逐渐消耗，以至耗尽，恒星就会冷却下来，万有引力的作用大于排斥效应的作用使恒星发生塌缩。原子的壳层将被压碎形成原子核在电子海洋中的漂浮状态。这时电子之间的 斥力与恒星自身引力相比处于劣势地位，恒星将发生塌缩，体积减少，导致塌缩的密度是非常大的。

1. 白矮星的形成

由于恒星热反应停止以后，辐射压力减少，使恒星发生收缩，在收缩过程中，核内高温使物质发生电离。星体内部充满电子，由于电子服从泡利不相容原理。物质粒子靠的十分接近时候不能具有完全相同的状态。即两个相同的自旋为1/2的粒子不可能同时具有相同的位置与速度，这将导致粒子在吸引、接近的过程中产生很强的斥力平衡，按照相对论理论，粒子之间的相对速度不能超过光速。由泡利不相容原理产生的斥力就有上限。经过计算这种斥力上限为1.4个太阳质量，称为钱德拉卡极限。当恒星质量小于1.4倍的太阳质量时，电子简并压可以完全抗衡引力，阻止恒星进一步塌缩，从而形成白矮星。

2 .中子星的形成 Mm根据万有引力公式F引?G2公式可知，一颗恒星的质量越大，引力就越强，R

对于质量不太大的恒星而言，塌缩的速度还不算快，若恒星质量大于1.4个太阳质量，则电子之间的简并压就不能抗拒引力塌缩，导致星体密度继续增加，当温度足够高时候，高能光子把原子核分裂成质子和中子，质子又与电子结合成中微子，使得星体内部存在大量中子。中子也服从泡利不相容原理，出现附加压强，称为中子简并压。经过计算这种斥力上限为2-3个太阳质量，称为奥本海默极限。

当恒星的质量大于钱德拉卡极限而小于奥本海默极限时，从而形成中子星[2]。

3. 黑洞的形成

如果恒星的质量超过奥本海默极限，则没有任何力量能够抵制住强大的引力，星体将塌缩到自身的引力半径之内，从而形成黑洞。

从超新星爆发的角度来看，星体塌缩是一种非常猛烈的过程，爆炸崩掉恒星的外壳，同时产生指向星体中心的巨大压力，使星体的中心部分形成黑洞。

除去恒星塌缩以外，形成黑洞还有其他途径。例如，在星系的中心聚集着亿万颗太阳和 别的物质，在演化过程中很可能发生物质收缩和恒星之间的碰撞，从而形成巨大质量的星级黑洞。

三、黑洞真的存在吗？

“黑洞”是从预言产生的理论，如果不能证实其存在的真实性，理论就成了“无源之水”，关于黑洞存在的理论预言建立在以下几点根据上：

（1）：自然界没有任何力量可以支撑质量为太阳质量3倍以上的“冷”物质（所谓“冷”物质是指停止核反应的物质）以常规方式存在（所谓的常规方式是指原子、分子形式存在的方式）。

（2）：许多已经观测的热恒星的质量远远超过太阳质量3倍以上。

（3）：科学家已经根据中子星的脉冲辐射观测到了中子星，随着时间的推移，中子星可以继续塌缩。

（4）：大恒星消耗核燃料并且经历了阴历塌缩的时间一般为几百万年，而银河系已经有100亿的高龄，因而在银河系里产生黑洞的年龄条件是成熟的 。

基于以上几点，我们可大胆而理智的预言黑洞的存在是真实的。

四、黑洞的误区

1．黑洞不是“黑球”

当黑洞自转的时候，黑洞的视界之外就会产生一个被称为能层的椭球形区域。这就像地球自转会造成赤道部分比两极部分凸出一样。一旦进入能层和视界之间，物质就无法静止了，空间将被黑洞拖拽着，沿着黑洞自转的方向运动。而在能层的内部，空间运动的速度会超过光速。按照爱因斯坦的相对论，虽然物质不可能运动的如此之快，但空间本身却可以。另一个有名的例子是宇宙大爆炸，当宇宙产生的那一刹那，空间急剧膨胀，超过了光速。

另外，虽然黑洞没有光，但是它看上去并不是黑的。因为体积小，所以很少有物质会正好掉入黑洞，它们会被它吸引，绕着它旋转。这些物质越来越多，会形成一个围绕黑洞告诉转动得盘。由于黑洞的引力随着距离而变化，因此靠近黑洞的物质的速度要远远超出外围的，它们的相对运动就会导致剧烈的摩擦，是物质被加热到数百万以上的温度。于是黑洞附近的物质盘会发出极为明亮的辐射。锦上添花的是，磁场会驱动物质从中心向垂直与潘德两侧喷出。这两条喷流在几百万甚至十数亿光年之外都能被看见。连光都无法从黑洞中逃逸 ，黑洞却会因这些物质成为宇宙中最“明亮”的天体。

2．黑洞如空气

随着物质的增大，黑洞的视界也会变大。物理法则告诉我们，黑洞视界的半径和它的质量成正比。也就是说，如果黑洞的质量.增加到原来的2倍，其视界的半径也会增加到2倍，它的体积就会增加为原来的8倍。接下来我们可以用计算的魔术把黑洞和空气联系在一起：一个普通的黑洞，它的质量通常为太阳的3

倍，视界半径为9千米，此外它的密度为每立方厘米2000万亿克。如果把你的质量翻一倍，其密度就会减少到原来的1/4:；质量增大10倍，密度就会减少为原来的1/100.对于一个星系团中常见的10亿个太阳质量的超大质量黑洞而言，它的密度自由每立方厘米0.001克，和地球空气密度一样。

五、黑洞的种类

按照习惯的分法，可以将黑洞分为“施瓦西”黑洞、“莱斯纳”黑洞、“克尔”黑洞。

“施瓦西”黑洞质量呈对称分布的强引力场，但不旋转、无角动量、不带电2GM荷。视界半径与区域内质量的关系为：r?。 2C

“莱斯纳”黑洞也是质量呈对称分布的强引力场，引力源静止，有质量M，

1也有电荷Q

，其引力半径为：rk?2?GM?。 c?

“克尔”黑洞描述的是质量呈轴对称分布的强引力场，它旋转、具有角动量，但没有电荷。

“克尔”黑洞的大小与形状依赖旋转速度，其视界半径为：

1rk?2?GM，其中L为单位质量的角动量。 C?

六、分析总结

游览了“宇宙黑洞”相关知识，其实黑洞跟我们人类心系相关的。值得我们关注。未来的我们会对黑洞回进一步的研究了解。不但开阔视野，而且我们获得了一些宇宙知识。

篇四：黑洞,宇宙未解之谜

黑洞，宇宙未解之谜

在宇宙间有一个看不见的大恶魔。它能吞食原子、光、声音、电磁波、尘埃、巨大的恒星等所有的东西。这个大恶魔就是黑洞。当所以的东西被它吞食时，就像掉进了无底洞而变得无影无踪。

黑洞真是一个无底的大黑窟窿吗？当然不是。当一颗质量大约是太阳几十倍的恒星被自身的引力压缩成直径只有几公里左右的天体时就形成了黑洞。黑洞具有强大的吸引力，它由自身引力缩成一个封闭性的视界，一切外界的物质或辐射只要进入这个视界，就会被迅速地拉过去。而且无论如何也跑不出去，包括光在内。因此，即使是用最先进的天文望远镜也看不到黑洞。黑洞的名字也就由此而来。

黑洞是恒星走完生命旅程，除中子星和白矮星外的另一种归宿。其实黑洞的体积并不大，可它的质量和引力却无穷大。既然黑洞是看不见的，那么天文学家是怎样发现并研究它们的呢？黑洞虽然看不见，但天文学家可以通过观察围绕黑洞转的行星或其它天体来判断它的存在，并研究了解黑洞形状、大小等等特点的。

我们的地球已经四十多亿岁了，可是它依然焕发着沧海桑田般的生机。再过四十亿年，太阳将完成它的核聚变。那时，如果太阳变成了一个黑洞，但它还在太阳系中间，九大行星是不会被吞食的。但是，地球将因为失去了太阳所给的能量，而在寒冷和黑暗中死亡。如果人类不能在太阳完成核聚变前找到另一个家园，那么地球上的生命将会最终枯竭。

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