黑洞到底是如其表面上簡單，還是有許多信息隱藏在表象之下呢？

實際上，一些潛在的系外行星可能會是極小型黑洞

我們能解決黑洞信息悖論嗎？（圖片來源：美國國家航空航天局）

黑洞到底是如其表面上簡單，還是有許多信息隱藏在表象之下呢？

科學(xué)家提出一些理論以試圖解釋所謂的黑洞信息悖論，他們認(rèn)為黑洞比廣義相對論所說的要復(fù)雜得多。我們在未來對于光子球（黑洞邊緣的旋轉(zhuǎn)光帶）的觀測將驗證這些理論的正確性。

黑洞中的信息是未解之謎

信息悖論

根據(jù)阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，黑洞簡單得出奇。黑洞的質(zhì)量、電荷和自旋，這就是黑洞的一切。事實上，黑洞具有宇宙中最簡單、最易懂的特征。

顯而易見的簡單性卻造成了悖論，令人百思不得其解。20世紀(jì)70年代，著名天體物理學(xué)家史蒂芬·霍金意識到黑洞并非是完全呈黑色的。與此相反，它們通過一個微妙的量子力學(xué)過程向外放出輻射，這個過程發(fā)生于它們的視界或黑洞的邊界上。任何事物，包括光都無法從那里逃逸。

黑洞簡單到只能用三個數(shù)字來描述。因此所有信息，所有落入黑洞的物質(zhì)的信息，似乎都被永遠(yuǎn)封存。不管黑洞是由逝去的恒星和星際塵埃建造，還是由貓建造，只要這兩個黑洞具有相同的自旋、質(zhì)量和電荷，它們就會是相同的。

在霍金最初的輻射過程公式中，輻射并沒有帶走任何信息。但是，當(dāng)黑洞發(fā)出輻射時，它會蒸發(fā)，最終完全消失，這就是所謂的黑洞信息悖論。如果一些信息落入一個黑洞，而信息無法被毀滅，那么當(dāng)黑洞消失時，所有的信息都去了哪里？

在過去的幾十年里，很多信息悖論的解釋浮現(xiàn)。有些涉及到我們對廣義相對論的知識擴(kuò)展，有些涉及到將廣義相對論與我們對量子力學(xué)的理解結(jié)合起來，有些則怪異至極。

截至目前，所有解釋信息悖論的嘗試都沒有得到證實。直接觀察黑洞是非常困難的，因為我們通常只在黑洞與周圍環(huán)境相互作用（通常是吞下大量氣體或塵埃）或它們合并并釋放引力波時才能看到它們。

但在2019年，這一切發(fā)生了變化：當(dāng)時一個名為“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的全球望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)協(xié)同工作，拍攝了一幅位于室女座星系中心的M87*超大質(zhì)量黑洞的圖像。

這一圖像震撼人心，使人印象深刻。圖像中心的陰暗虛空是黑洞視界投射的陰影，阻止黑洞背后任何光線的穿透。黑洞旁的等離子體過熱，發(fā)出幽靈般的光環(huán)，光環(huán)包圍著這個空洞。

光子球：存在于黑洞視界中

這張圖片能告訴我們黑洞視界的真實性質(zhì)嗎？

黑洞本身的視界遠(yuǎn)小于其陰影，但由于黑洞附近空間的極度扭曲，陰影顯得極大。有趣的是，作為空間極端扭曲的結(jié)果，光子球位于視界和陰影邊緣之間。光子球是黑洞附近的一個區(qū)域，那里的重力非常強(qiáng)，以至于光本身可以圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)。

該區(qū)域的軌道不穩(wěn)定：光子可以環(huán)繞黑洞旋轉(zhuǎn)幾圈，但它們不會永遠(yuǎn)停留。最終，它們會泄漏，在黑洞周圍形成一個薄而可見的光環(huán)。

在經(jīng)典的廣義相對論中，光子球非常薄，幾乎不存在，而且非常微弱，無法在事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的M87*黑洞的圖像中觀測到。

如今，一組研究人員在試圖解釋黑洞信息悖論的理論中研究了光子球的特性。他們發(fā)現(xiàn)一些復(fù)雜的關(guān)于黑洞視界的理論會影響周圍的環(huán)境，包括光子球。該研究小組在最新發(fā)表于預(yù)印預(yù)收錄數(shù)據(jù)庫的一篇論文中寫道，在一些理論中，光子球可能會更寬，因此對我們來說會更明亮。

盡管變化已出現(xiàn)，但經(jīng)典相對論對光子球的預(yù)測和這些外來模型的預(yù)測之間的差異仍太小，無法用事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測到。但它拍攝到的這張驚人圖像不會是我們拍攝到的最后一張黑洞照片。未來我們對M87*黑洞和其他超大質(zhì)量黑洞的研究將提供更高分辨率的圖像。如果我們能夠解析光子環(huán)，研究它的寬度和亮度，將找到有關(guān)視界性質(zhì)的線索，并最終解釋黑洞信息悖論。

BY:Paul Sutter

FY: 木乙山

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