信息无法逃脱的界限，以及霍金辐射等现象
定义黑洞
一个 黑洞 是时空中的一个区域 重力 如此强烈以至于 没有什么——甚至光——一旦跨越临界边界，就无法离开，这个临界边界被称为 事件视界尽管黑洞最初被认为是一种理论上的奇观（18 世纪的“暗星”概念），但它已经成为天体物理学的核心， 观察 从X射线双星（天鹅座X-1）到星系中心的超大质量黑洞（如银河系中的人马座A*），都得到了广泛的证实。爱因斯坦的 广义相对论 提供了框架，表明如果足够多的质量集中在足够小的半径内，时空的曲率就会有效地将该区域与外部宇宙“隔离”。
黑洞有不同的大小和类型：
- 恒星质量黑洞：~3 至数十个太阳质量，由大质量恒星坍缩形成。
- 中等质量黑洞：数百至数千个太阳质量（尚不明确）。
- 超大质量黑洞：数百万到数十亿个太阳质量，潜伏在大多数星系中心。
主要功能包括 事件视界—“不归路”—并且通常 奇点 在经典理论中，尽管量子引力可能会在极小的尺度上改变这一概念。此外， 霍金辐射 这意味着黑洞在漫长的岁月中慢慢失去质量，暗示着量子力学、热力学和引力之间存在更深层次的相互作用。
2. 形成：引力坍缩
2.1 恒星坍缩
最常见的形成途径 恒星质量黑洞 发生于 大质量恒星 （&（约20个太阳质量）会耗尽核心的核燃料。如果没有核聚变来抵消引力，核心就会坍缩，物质会被压缩到极高的密度。如果核心的质量超过 托尔曼-奥本海默-沃尔科夫 (TOV) 极限（中子星形成时约为2-3个太阳质量），即使是中子简并压力也无法阻止坍缩，最终导致黑洞。外层可能会被抛射出去 超新星。
2.2 超大质量黑洞
超大质量黑洞 （超大质量黑洞）位于星系中心，例如银河系中心约 400 万个太阳质量的黑洞（人马座 A*）。它们的形成过程则不那么直接——可能是早期巨型气体云的直接坍缩，较小黑洞的失控合并，或是原星系中吸积生长的种子黑洞的组合。对高红移类星体的观测（z >6）表明超大质量黑洞在宇宙历史的早期就形成了，指导了对快速增长机制的持续研究。
3.《黑洞表面：不归路》
3.1 史瓦西半径
广义相对论中最简单的静态、非旋转黑洞解描述如下 史瓦西度规. 半径
r秒 = 2GM/c²
标志着 史瓦西半径；在这个球体（事件视界）内，逃逸速度超过了光速。例如，一个1倍太阳质量的黑洞有r秒 ≈ 3 公里。较大的质量与半径成线性比例，因此一个 10 个太阳质量的黑洞的视界半径约为 30 公里。这个边界实际上是 零表面— 试图离开它的光线会沿着停留在内部或进一步落入内部的路径前进。
3.2. 缺乏对外沟通
在事件视界内，时空是如此弯曲，以至于所有 类时 和 像光一样 测地线向内延伸至 奇点 （经典理论）。因此，外部观察者无法看到或检索任何跨越视界的事物。这就是黑洞之所以是黑的原因：没有辐射能够从内部逃逸，尽管视界附近（但在视界之外）的能量过程可以产生可观测的信号（e.g.、吸积盘、相对论性喷流）。
3.3 旋转和带电视界
真实的天体物理黑洞经常旋转，描述如下 克尔度规在这种情况下，事件视界的半径取决于自旋参数a。同样，带电黑洞（Reissner-Nordström）或旋转/带电黑洞（Kerr-Newman）会改变视界的几何形状。但概念上的界限仍然存在：跨越视界（旋转黑洞的外视界）会阻止向外逃逸。在视界附近，参考系拖拽或能层可以允许提取旋转黑洞中的旋转能量（彭罗斯过程）。
4.霍金辐射：黑洞蒸发
4.1 视界处的量子效应
1974年， 史蒂芬·霍金 在黑洞视界附近的弯曲时空中应用量子场论，得出黑洞发射热辐射的温度为：
T哈 = (ħ c³)/(8 π GM kB）
其中 M 是黑洞质量，kB 是玻尔兹曼常数，ħ是约化普朗克常数。较小的黑洞具有较高的霍金温度，因此蒸发速度更快。大型恒星或超大质量黑洞的温度极低，使其蒸发时间达到天文数字（远远超过宇宙的当前年龄）[1,2]。
4.2 粒子-反粒子对
一种启发式解释认为，在视界附近存在“虚拟”的粒子-反粒子对。其中一个粒子落入视界，另一个粒子逃逸，带走能量。黑洞的质量实际上会减小，以保持总能量守恒。虽然简化了解释，但它抓住了本质过程：量子涨落和视界处的边界条件导致向外的净辐射。
4.3 黑洞热力学
霍金的洞见确立了黑洞遵循类似热力学的定律。事件视界区域的行为类似于熵（S ∝ A/l磷²），表面引力类似于温度。这种协同作用引发了对量子引力的更深入探索，因为协调黑洞热力学与幺正性和信息悖论仍然是理论物理学的一大挑战。
5.黑洞的观测证据
5.1 X射线双星
在 双星系统 与普通恒星。伴星的物质通过吸积盘吸积到黑洞上，加热到X射线能量。观察 致密天体 质量估计 &>3 M⊙ 并且缺乏表面现象表明黑洞（e.g.，天鹅座X-1）。
5.2 星系中心的超大质量黑洞
观测恒星运动 银河系的中心揭示了约 400 万 M⊙ 开普勒定律可以很好地解释黑洞（人马座A*）的轨道。同样，由超大质量黑洞驱动的活跃星系核（类星体）的质量可达数十亿倍太阳质量。 事件视界望远镜 制作了 M87*（2019 年）和 Sgr A*（2022 年）的首批直接地平线尺度图像，证实了阴影/环结构与理论预测一致。
5.3 引力波
2015 年，LIGO 探测到 引力波 来自距离约 13 亿光年的黑洞合并。后续运行发现了大量黑洞与黑洞合并现象，证实了自然界中双黑洞的存在。波动模式与相对论合并模拟结果相符，为黑洞、事件视界和振铃现象提供了直接的强场确认。
6. 内部运作：奇点与宇宙审查
6.1 经典奇点
在最简单的经典图像中，物质在 奇点 在黑洞中心。时空曲率发散，广义相对论失效。人们普遍认为量子引力或普朗克尺度物理学会阻止真正的奇点的出现，但确切的机制仍然未知。
6.2 宇宙审查猜想
由罗杰·彭罗斯提出， 宇宙审查猜想 认为引力坍缩形成的奇点隐藏在事件视界内（“无裸奇点”）。所有已知的物理现实解都符合该定理，但该定理尚未得到证实。一些奇异的场景（例如以特定速率旋转的黑洞）原则上可能打破该定理，但目前尚无已知的稳定违反该定理的现象。
6.3 信息悖论
紧张局势在 幺正性 量子理论（信息永不丢失）和黑洞蒸发（霍金辐射似乎是热辐射，不携带初始状态的记忆）中都存在类似的问题。如果黑洞完全蒸发，信息会消失吗？还是会以某种方式被编码在辐射中？解决方案包括全息原理（AdS/CFT）、量子混沌论证或黑洞互补性。它仍然是连接量子力学和引力的热门研究课题。
7. 虫洞、白洞和理论扩展
7.1 虫洞
虫洞 或爱因斯坦-罗森桥理论上连接着不同的时空区域。但除非有奇异的负能量物质支撑它，否则这种几何结构通常不稳定。如果存在稳定的虫洞，它们可能允许近乎瞬间的旅行或封闭的类时曲线，这意味着潜在的时间旅行。目前，尚无观测证据支持宏观可穿越的虫洞。
7.2 白洞
一个 白洞 是黑洞的时间逆向解，将物质从奇点中驱逐出去。它通常被认为不符合现实天体物理过程的物理规律，因为它们无法通过引力坍缩形成。白洞出现在一些理论解中（例如史瓦西度规的最大解析扩展），但缺乏任何已知的真实类似物。
8. 长期命运和宇宙角色
8.1 霍金蒸发时间尺度
恒星黑洞的寿命约为 1067 通过霍金辐射蒸发掉，时间可能长达 10100 数年甚至更久，最终随着正常物质的衰变或合并，主宰了晚期宇宙的结构。然后，它们也会蒸发，将物质转化为低能光子和其他粒子，留下一片极其寒冷的宇宙沙漠。
8.2 在星系形成和演化中的作用
观测表明超大质量黑洞与银河系核球质量相关（ 米波黑–σ 关系），表明黑洞强烈影响着星系的生长——通过强大的活动星系核反馈或喷流调节恒星形成。因此，在宇宙网络中，黑洞既是恒星坍缩的终点，也是为塑造大尺度结构的活跃星系核提供能量的引擎。
9. 结论
黑洞 举例说明 极端 预测 广义相对论—时空区域弯曲到没有光可以逃逸到 事件视界。从观察来看，它们无处不在：从 恒星残骸 在 X 射线双星中发现 怪物 在星系中心。类似这样的现象 霍金辐射 添加量子泛音，暗示黑洞最终会蒸发，并将引力热力学与量子理论联系起来。尽管经过一个世纪的探索，但仍存在一些悬而未决的问题，尤其是 信息悖论 和奇点结构。
因此，这些物体位于 天文学、相对论、量子物理学、 和 宇宙学不仅揭示了自然界的极端现象，还揭示了可能需要一个更深层次的统一框架，将量子力学与引力融合在一起。然而，黑洞也是现代天体物理学的基石——它为宇宙中一些最明亮的光源（类星体）提供能量，塑造星系演化，并产生引力波信号。在连接已知与神秘方面，黑洞仍然是整个科学领域最令人着迷的前沿领域之一。
参考文献及延伸阅读
- 霍金，SW（1974）。 “黑洞爆炸？” 自然， 248，30–31。
- 彭罗斯，R.（1965 年）。 “引力坍缩和时空奇点。” 物理评论快报， 14，57–59。
- 事件视界望远镜合作项目（2019 年）。 “首个 M87 事件视界望远镜结果。” 天体物理学杂志快报， 875，L1–L6。
- 沃尔德，RM（1984）。 广义相对论。 芝加哥大学出版社。
- 弗罗洛夫，副总裁， & Novikov，ID（1998）。 黑洞物理学：基本概念和新发展。 克鲁维尔学术。