“身處周遭如一口深井，我不知道黑洞的井底通向哪裡，只知道前方的征途是星辰和太陽。”——村上春樹

今天我們就聊一下關於黑洞的一些常見的問題，從淺至深，希望一文可以讓你讀懂和理解黑洞。

什麼是黑洞？

我們關於黑洞定義一開始其實很簡單，主要說的就是一個任何物質、甚至是光都無法逃脫的空間區域，這個空間區域就是黑洞，而這個區域的邊緣稱之為“事件視界”，任何物質或者資訊落入視介面就會掉入黑洞的中心，永遠都無法逃脫，也就是說這個視介面裡面和外面的資訊是完全斷開的，我們不可能知道里面發生了什麼，裡面的東西也永遠出不來。

但是霍金又根據真空中的量子漲落提出了黑洞輻射的理論，認為黑洞在緩慢的向外釋放能量，並損失品質，那麼等一個黑洞完全消失了，那麼之前落入黑洞的所有物質的資訊就會全部丟失，這就是黑洞資訊丟失悖論，與量子力學所認為的資訊守恆不符。

霍金隨即就提出（這是他猜的，並沒有被證實），黑洞和外界的資訊只是短暫斷開的，稱為“表觀視界”，這個“表觀視界”在未來會消失，之前困在黑洞裡的資訊並不會丟失，還會重新回到宇宙中，但這個暫時性地隔絕可能不宇宙的年齡還要長，也就是說完全斷開和暫時斷開的差別是無法被觀察到的。我個人覺得霍金在胡扯！

黑洞有多大？

我們可以將黑洞想象成一個球體，它的直徑與黑洞的品質成正比，也就是一開始形成黑洞的品質或者後來落入黑洞的品質越多，黑洞體積就越大。但是與同品質的天體相比，黑洞還是很小的。這是因為黑洞已經在巨大的引力下把自己的品質已經壓縮到了一個非常小的體積，例如：一個品質與地球相當的黑洞，其半徑只有幾毫米，而地球的半徑大約是同品質黑洞的10億倍。

黑洞的半徑被稱為史瓦西半徑，以卡爾·史瓦西的名字命名。因為卡爾·史瓦西首先提出了黑洞作為愛因斯坦廣義相對論的解。但是不要忘了宇宙中存在上百億倍太陽品質的黑洞，這些黑洞的體積依然很大。

落入視介面發生什麼？

靠近一顆黑洞，我們就看到背景星光被嚴重的扭曲，但是如果這顆黑洞所在的背景區域沒有任何星光，那麼我們在靠近黑洞、甚至是穿越視介面的時候不會看到周圍環境的任何變化，你甚至不知道你在下落，在做加速運動或者是受到了引力的影響。這是因為愛因斯坦等效原理的一個推論。

我們無法區分平坦空間中的加速度和導致空間曲率的引力場之間的區別，由於黑洞背景也沒有星光，都是黑乎乎的一片，我們甚至找不到一個參考系能告訴我們在加速下落。

然而，一個遠離黑洞的觀察者如果看到有人掉入黑洞，就會注意到這個人離視介面越近，移動的速度就越慢。因為靠近黑洞視介面的時間比遠離黑洞視界的時間要慢得多。但是對於掉入黑洞的人會在很短的時間內穿過視介面。

還有一點就是，落入黑洞的人在視介面上的體驗取決於引力場潮汐力的大小。視介面上的潮汐力與黑洞品質的平方成反比。也就是黑洞的品質越大，潮汐力就越小。如果黑洞的品質足夠大，並不會對我們產生任何影響，我們可以安全的穿過視介面，如果潮汐力足夠大，頭和腳就會感受到巨大的引力差，我們身體就會被拉伸，物理學上的專業術語是“義大利麵化”。

黑洞裡面是什麼？

沒有人知道這個問題，但可以幾乎肯定的是黑洞裡面的東西絕不是我們見過的任何物質形態。廣義相對論語言，在黑洞內部有一個奇點，一個引力變得無窮大的點，一旦任何物體穿越視介面都會迅速的撞上奇點，但是廣義相對論並不能告訴我們奇點是什麼，而且廣義相對論也在奇點出崩潰，也就是說並不適用與理解這樣的問題。

我們需要的是一個量子引力理論，一般認為，這個理論會用別的東西來代替奇點。

黑洞是如何形成的?

我們知道黑洞可能會以四種不同的方式形成。最容易理解的是恆星坍縮型黑洞。一個品質足夠大的恆星在核聚變停止後就會坍縮形成一個黑洞，因為當聚變產生的輻射壓力停止時，物質就會開始向自身的引力中心下落，密度越來越大，最終沒有任何東西可以克服恆星表面的引力，這樣一個黑洞就被創造出來了。這些黑洞被稱為“恆星品質黑洞”，是最常見的黑洞。

下一個常見的黑洞型別是“超大品質黑洞”，它通常位於星系的中心，其品質大約是太陽品質黑洞的數十億倍到數百億倍。準確的說，這些超大品質黑洞的形成目前還不完全清楚。但我們一般認為它們最初是一個品質不叫小的恆星品質黑洞，在恆星和黑洞比較稠密的星系中心，通過互相合並以及吞噬了其他恆星不斷成長成超大品質黑洞的。

更有爭議的觀點是原始黑洞，它們很可能是在早期宇宙中大密度波動下形成的。雖然這有可能，但目前很難找到一個既可以產生原始黑洞，又不會形成太多原始黑洞的模型。

最後是一個非常具有推測性的黑洞，那就是在大型強子對撞機中可以產生類似於希格斯玻色子品質的微小黑洞。這種情況只有在我們的宇宙存在額外維度時才有效。但目前我們並沒有發現額外的維度。

我們如何知道黑洞的存在？

關於黑洞從理論到現實，我們有很多的觀測證據，起初我們是通過引力作用發現黑洞的。例如在銀河系中心，我們就發現了大量恆星在繞一個不發光的點高速運轉，根據引力定理就可以知道這個中心點品質得有幾百萬倍的太陽品質。

像宇宙中一些星系中心更大品質的黑洞，由於其異常活躍，還會產生一些可觀測的光學效應，例如：黑洞吸積物質後會在吸積盤輻射出X射線，還會再中心形成明顯的射電源。我們正是利用黑洞的這些性質獲得了有史以來第一張黑洞照片。

為什麼霍金曾經說黑洞不存在？

這句話有點斷章取義了，其實霍金想表達的意思不在這，黑洞是真實存在的。他想說的是，他認為黑洞沒有一個永恆的事件視界，而是有一個短暫的表觀視界，為了解決黑洞資訊丟失的問題。不過這就是他猜的。

黑洞是如何發出輻射，損失品質的？

黑洞是通過量子效應發出輻射的。需要注意的是，這是物質的量子效應，而不是引力的量子效應。量子力學認為真空不空，在極短時間記憶體在正反虛粒子對的產生和湮滅，並將能量歸還給宇宙，但如果這種量子效應發生在黑洞視介面的邊緣，那麼其中一個虛粒子就會落入黑洞，而另外一個虛粒子就會從黑洞中竊取能量變為實粒子發生逃逸，並於附近的反實粒子發生湮滅釋放能量。

黑洞發出的輻射最初是由斯蒂芬·霍金提出的，被稱為“霍金輻射”。這種輻射的溫度與黑洞的品質成反比，黑洞越小，輻射溫度越高。對於我們目前所知的恆星和超大品質黑洞，其輻射溫度遠低於宇宙微波背景輻射的溫度，因此無法根本就無法探測到這樣的效應。毫不誇張的說，我們人類未來都可能無法驗證霍金的這個說法。

什麼是資訊丟失悖論？

資訊丟失悖論是由霍金輻射引起的。這種輻射是一個純熱的過程，這意味著除了有一個特定的溫度外，輻射是完全隨機的。而且這些輻射不包含任何關於黑洞形成，以及之前落入黑洞物體的任何資訊，但是當黑洞發出輻射時，它會失去品質並且逐漸收縮。最終，黑洞將完全轉化為隨機輻射。也就是關於黑洞之前如何形成，以及落入黑洞的物體的資訊就會丟失，但量子力學不允許這樣的情況出現。

因此，黑洞的蒸發與我們所知道的量子理論是不一致的，必須有所讓步。必須以某種方式消除這種不一致性。大多數物理學家認為，解決的辦法是霍金輻射必須以某種方式包含這些資訊，或者這些資訊可以以其他的方式逃離黑洞。

如何解決黑洞資訊丟失問題？

這完全屬於物理學的前沿問題，而且也是無法用科學去證偽的問題，人們曾提出過很多假設，例如：黑洞可能會有另外一個維度的白洞相連，從黑洞進入的物質資訊會從白洞被吐出來；還有黑洞其實是一個蟲洞的入口，連線著另外一個時空，物質資訊也可以出來。這些完全超出了我們人類可驗證和觀測的範圍和能力。目前看來，這些猜測都毫無意義。

而且霍金為了補自己這個坑，他提出黑洞其實有一種儲存資訊的方式，這種方式以前一直被人們忽視了。其實物質資訊就儲存在黑洞視界上，並能引起霍金輻射中粒子的微小移動。在這些微小的變化中，可能存在著關於正在消失的物質的資訊。很玄乎，還是無法被證實。

以上就是關於黑洞的一些問題，目前我們可以確信黑洞的存在，我們能在宇宙中找到它們，也知道它們是如何形成的，最終又是如何消失的。但是，進入黑洞的資訊的具體去向仍有待我們研究！