宇宙和黑洞的比较研究论文

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我们都生存在同一个地球上，而地球又是宇宙中的一颗行星。宇宙是千变万化的，这一刻是这样的，下一刻就截然不同了。宇宙是神秘的，那一颗颗星系让我们眼花缭乱。 从我的知识体系中，我知道：在200年前，人们一直认为天空中有5个行星，加上地球就是6个。五大行星再加上太阳，月球，就被称为“七曜”。岁月流逝到了1781年3月31日这天，在英国，有个叫威廉·赫歇耳的天文学家用自己的望远镜，看到了在土星之外那颗蓝色的天体——天王星。这个发现，突破了千百年来的传统观念，为人类在探索宇宙的道路上，迈出了了不起的一步，起了解放思想的作用。这让我我想起了李四光说过的：真理，哪怕只见到一线，我们也不能让他的光辉变得暗淡。”正是因为这样，才会有如此重大的发现，这一切都归功于科学家们坚持不懈的努力。 宇宙，既美丽神秘，却又危险，各种星系中，最危险的就是黑洞了，“黑洞”顾名思义，就是不会发光，黑洞洞的。他虽然在宇宙中，但它并不是“星”，而是空间的一个区域，一种特别的天体。它具有强大的引力场，以致任何东西，甚至是光都不能从中逃逸，成为宇宙中一个吞噬物质和能量的“陷阱”。黑洞绝非是永久的隐蔽而毫无生气的物体。由于它的电荷和角动量，黑洞是一个动力学系统，能够受力和施力，能够吸收和提供能量，也就是说它是随着时间变化的，而且它的表面积绝不会随着时间减少，而会随着对物质和辐射的捕获而大。当两个黑洞相撞并成为另一个黑洞。这个面积就一定会大于两个之和。更让人惊奇的是，有一种黑洞会缩小叫量子黑洞。多么神奇啊！宇宙中竟然有如此多的奥秘，这正是人类科学的结晶，只有我们相信科学，探索科学，才能学到更多的知识！

你可以去参考下（现代物理 ），找下自己的灵感和思路

图中＋－号代表不可分割的最小正负弦信息单位-弦比特（string bit）

（名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit

量子信息研究兴盛后,此概念升华为，万物源于量子比特）

注：位元即比特

除黑洞,还有一个白洞.黑洞会吸收,而白洞相反.(会放射)科学家曾做出判断:黑洞吸收的东西,白洞会吐出来.

天文学家通过长期观测发现，在宇宙中有一些引力非常大却又看不到任何天体的区域，这种奇异天文现象的主要特征是：1、这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质，一些物质在它周围运行轨迹会发生变化形成圆形的气体尘埃环；2、它有很大的能量，可以发出极强的各类射线辐射；3、由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。的确，通过观测到的大量间接征兆可以证实它的存在，却无论如何没能直接看到它。于是一些天文学家想象的认为它是一种恒星塌缩后，质量、密度很大的暗天体，美国物理学家惠勒给它取了一个有趣的名字“黑洞”。

在进入宇航时代的今天，世界各国已拥有各种先进的天文观测设备，如大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜，大型射电天文望远镜，突破了地球大气层包围的哈勃空间望远镜等。天文观测已触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都可以一览无余，甚至像几万公里外一支小蜡烛那么微弱的光也能观测到，而唯独对“黑洞”却无能为力，确有些不合逻辑。如果它真是一种质量、密度很大，磁场、引力极强的“天体”，为什么至今看不到它的庐山真面目呢？ 原因很简单，“黑洞”并不是一种实体星球，而是宇宙天体运动时产生的各种“磁场旋涡”现象，它的能量、射线辐射主要都是由磁场力作用产生的，因为它的构成物质密度非常稀薄，光线发射极其微弱，所以根本无法在远距离用光学仪器观察到它的形状，按其形态和性质说来它倒真是一个名副其实的“黑暗磁场旋涡洞”。

设想如果“黑洞”是一种物质构成密度非常大的“天体”，那么，在“黑洞”与物质密度相对极小的宇宙空间两者应该是有分界面的。根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面时会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外。所以，从“黑洞”不能反射光线这一点说明“黑洞”虽然有很强的吸引力，但是它的物质构成密度非常稀薄，还不足以达到反射光线的程度（并不是光线由于被它吸引无法脱离而不能反射）。当光线与它相遇时，只能是穿它而过了，没有明显的光反射和折射现象。因此也就无法通过光学观测直接看到它的形状，而只能用其它天文观测方式，通过“黑洞”急速旋转运动中产生的极强各类射线辐射来证实它的存在。科学家通过哈勃望远镜上的高速光度计在1992年对天鹅座X-1的一批观察数据进行分析时，发现了两个迅速衰减并很快消失的紫外线脉冲阵列。这种现象与理论预言的物质落进黑洞视界时释放辐射的特征正相符合。至于光线在“黑洞”附近会发生弯曲的现象，是因为光波本身就是一种频率很高的电磁波，光现象本质就是一种电磁现象，所以，光线在“黑洞”附近由于受其磁场引力作用而发生弯曲现象是很自然的。

宇宙中一切天体都不是孤立存在的、所有物质之间都有千丝万缕的相互内在联系。“黑洞”现象的产生也不是偶然的，而是在自然规律内物质循环演变过程中一个重要的环节。整个自然界是由不断运动着的物质所组成，绝对静止的物质是不存在的，物质运动必然会产生磁场，天体和磁场是不可分割的整体，只要天体存在，它周围就一定有磁场存在。各类物质结构由于运动方向的不同，运动速度的差异，会产生无数大小不一、强弱不同的磁场旋涡，这种磁场旋涡就是神秘的“黑洞”。大的物质结构产生大的磁场旋涡，如星系中心的“黑洞”（银河系中心）；小的物质结构产生小的磁场旋涡，如恒星之间的“黑洞”（天鹅座X-1）。

自然界决定物质能量大小有两个重要因素：一是物质的质量；二是物质的运动速度。由于磁场具有力和能的特征，所以“黑洞”虽然构成物质密度很小，但因为它有极快的旋转运动速度，当组成它的物质凝聚向一个方向作有序运动时，便产生很大的能量和极强的引力。宇宙中一些分散的呈气态的氢、氧类物质和呈固态的硅、铁类尘埃物质，受“黑洞”吸引力作用，在“黑洞”附近运动方向发生变化，向其中心高速旋进，会形成围绕“黑洞”中心运动的圆形气体尘埃环。“黑洞”虽然不能直观地看到，但可以通过它向外发出的各类射线辐射现象提示它的形态。国外有报道，哈勃望远镜已拍摄到“黑洞”周围边缘呈翘曲状的尘埃圆盘，这就更形象的证实了“黑洞”的旋涡性质和真实形态以及旋涡多呈漏斗状的特点。

其实宇宙中这些各类“黑洞”的运动形态和形成原理就像我们用肉眼可以观察到的许多自然涡流现象一样。如地球上大气运动产生的热带气旋--“台风”，在“台风”外围是急速旋转的气流形成的急风暴雨区域，能量非常大，而在空气涡流中心区域--“台风眼”，由于空气稀薄，压力相对较小，对周围产生很大吸引力，因此气流不易进入，反而是风平浪静的区域，从卫星图上可以清晰地看到“台风”的圆形旋涡状云团。还有江河湖海中的水涡流也是圆形旋涡状的，水涡流同样有很大的能量和吸引力，当物体接近时会被吸引进漩涡之中。“黑洞”就像“台风”、“水流漩涡”这些可以直观的涡流现象，是宇宙中物质运动的产物。它的巨大能量和引力主要来自物质急速运动产生的磁场。“黑洞”中心是外界物质不易进入、有形物质极少的区域，所以，在“黑洞”的中心都是空白区域。因为它对周围物质的吸引力在各方向基本是均匀的，一般“黑洞”周围物质运行的轨迹都是圆形旋涡状的。由于“黑洞”物质分布密度的不同，周围还会伸出一些旋臂（如可见的星系旋臂），造成同方向辐射强弱程度不同的射线脉冲现象（即脉冲星）。

在“黑洞”引力吸积过程中，物质的数量和密度不断增加，磁场旋涡范围会相应增大，能量和引力明显加强，又会吸引更多的物质，如此像滚雪球一样不断发展。当“黑洞”周围物质达到相当体积和密度时，对光的反射、折射作用逐步增强，到了一定程度便发展成为可以通过光学望远镜直接观察到的有形天体--“星云”，正是从恒星级“黑洞”中孕育出新生的天体“星云”。这种初期的有形天体多呈环状（环状星云），它的构成物质相对仍很稀薄，所以，形状非常模糊。随着“星云”体积不断膨胀，便开始了几十亿年以上向“恒星”发展的演变进程。

宇宙中所有天体的存在形式和演变过程都是由自然规律所决定的，“黑洞”也不例外。一但我们通过表面现象揭示出它的本质和与自然规律的内在联系，包括“黑洞”在内的各种奇异天象便不难解释了。

黑洞理论1975年，霍金创立了闻名世界的理论体系，让黑洞的概念家喻户晓。量子理论在原子的水平上对宇宙加以描述，推断出信息是从来不会丢失的。如今，霍金已修改了黑洞理论，认为黑洞是可以“重新开放”的，所吞噬的信息可以以另一种形式释放出来，就像我们生活中的燃烧一样，只是信息的转化而已。经过29年的思考，斯蒂芬·霍金表示、他以前对黑洞的看法是错误的。2004年7月14日，这位剑桥大学的著名物理学家正式发表了一篇论文，认为黑洞这种由星体残骸演化成的漩涡会保留被吞噬物体的痕迹、而且终将释放出少量被撕碎的物质。霍金激进的新理论颠覆了他30年来为了科学地解释黑洞悖论而进行的努力：被吸入黑洞的物体怎样才能真正消失，不留一点痕迹呢长期以来他一直是这样认为的，而亚原子理论认为物质的形式可以相互转换，但不可能完全消失。此前、霍金坚持认为、黑洞会摧毁其中所包含的一切微小信息，然后只是正常向外辐射能量。在第17届国际广义相对论和万有引力大会上，霍金提出了令人难以置信的新的计算结果，认为黑洞能够将吞噬的物质慢慢释放出来，而且吸收和释放的方式都只有一种。62岁的霍金说他不再相信20世纪80年代的理论、当时的理论认为黑洞可能可以通往另一个宇宙空间，这正好可以用来解释被黑洞吞噬的物质和能量去了哪里。霍金站在粒子物理学家一边、长期以来，粒子物理学家们坚持认为任何被黑洞吞噬的物质都不会凭空消失，最后必然以一种特殊的方式释放出来。霍金面对来自50个国家的大约800名物理学家和其他科学家发表了演讲，他说：（黑洞里）没有我曾设想过的子宇宙分支，物质信息仍然牢牢地保存在这个宇宙里。我很遗憾这让科幻迷们失望了，但如果物质信息被保存了，就不可能利用黑洞去别的宇宙空间旅行。如果跳进一个黑洞，物质能量将以一种被撕裂的形式返回到宇宙中、其中包含以前的信息，但是已经处于无法辨认的状态。霍金的新理论在物理学权威中激起了怀疑和困惑的浪潮。霍金在发表演讲时，其中的两位领军人物美国哥伦比亚大学的威廉·翁鲁和芝加哥大学的罗伯特·沃尔德不断耸肩摇头表示怀疑。黑洞专家沃尔德说：霍金完全改变了他自己以前的观点、霍金以前认为进入黑洞的一切都会被冲走。他相信从黑洞释放出的任何物质都能追溯到来源。他已经偏离了仍然坚信的理论。折叠编辑本段研究历史上世纪70年代，霍金提出的“黑洞热辐射”理论是20世纪最杰出的理论物理成就之一，但当时这一理论的一些观点受到了量子物理学者的质疑，科学家们认为被黑洞“吞掉”的物质的信息最终将会随黑洞一起消失，在量子物理的角度上是无法解释的。为此，30年来学术界一直存在着争论，此次霍金提出的新观点―――黑洞在某一时间，将会把它吞掉的信息释放出来，从表面上看弥补了他以前理论的缺陷，但是这也不足以肯定这一理论就是正确的。赵教授解释，物质所包含的信息并不像质量或能量一样具有守恒的性质，因此霍金此前的信息消失理论并不是完全无法接受的。从20世纪60年代到80年代，黑洞研究取得了重大进展。最初人们认为黑洞是一颗死亡了的星体，什么东西都可以掉进去，但任何东西都跑不出来。1974年霍金证明黑洞有温度、有辐射。霍金辐射的发现使黑洞和霍金本人都变得家喻户晓。20世纪80年代以后，黑洞研究的重点逐渐从温度转向信息佯谬。人们早已知道，黑洞外部观测者会失去形成黑洞以及后来落入黑洞的物质的几乎全部信息，这就是“无毛定理”。所谓“毛”是指“信息”。黑洞只剩下总质量、总电荷和总角动量3根“毛”可以被外界探知。人们最初认为，虽然外部观测者不能探知黑洞内部物质的信息，但这些信息并没有从宇宙中消失，只不过隐藏在了黑洞的内部。霍金辐射发现之后，人们知道黑洞中的物质最后将全部转化为热辐射，而热辐射几乎不带出任何信息。这样，形成和落入黑洞的物质的信息将从宇宙中消失，信息不再守恒，不仅重子数守恒、轻子数守恒等定律不再成立，量子论的幺正性也将受到破坏。面对如此严重的理论困难，物理学家展开了激烈的争论。理论物理学家大都相信信息守恒，坚信幺正性这一量子论的基石不会被破坏。总之，信息应该守恒。以霍金和索恩为代表的相对论专家则认为信息不一定守恒，幺正性完全有可能被破坏。为此，霍金和索恩与坚信信息守恒的普瑞斯基打赌。"这种理论从诞生之初就遇到了麻烦:它同很多科学家坚持的"信息守恒定律"互为矛盾.这一度被人们称为"黑洞悖论".如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立,那么"信息守恒定律"无疑将成为科学界最为重要的定律,也许比物质,能量守恒定律的意义更为深远.霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是"信息"在黑洞中是否能够保存,守恒."折叠编辑本段理论产生所谓黑洞，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”。折叠编辑本段理论推翻霍金悖论 霍金自己推翻自己的理论1976年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。近30年来，霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点。霍金曾表示，黑洞中量子运动是一种特殊情况，由于黑洞中的引力非常强烈，量子力学在此时已经不再适用了。但是霍金的这种说法并没有得到科学界众多持怀疑态度学者的信服。如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。这一重大研究成果还没有公开以论文的形式发表，已经在学术界引起了轩然大波。霍金在剑桥大学的同事、著名的物理理论学家马尔科姆·佩里博士表示，“霍金在这次研讨会上提出的观点也许是一种可行的解决方案。但是具体是否能得到最终认可，我看还需要由大家说了算。”但他认为，霍金最新的研究成果将可以和30年前发表的“霍金辐射”相媲美。物理学家科特·卡特勒在接受《新科学家》杂志的访问时说：“霍金发出了一个信息，他似乎在说‘我已经解决了黑洞理论中的矛盾之处，我想就此发表一些新的看法’。但是我们作为该信息的接受者，预先却并没有看到任何有关的书面阐述。作为对霍金本人的尊重，根据他的名誉，我只能暂且先接受这种说法。”。2004年7月21日，在爱尔兰的都柏林举行“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上，英国传奇科学家斯蒂芬·霍金教授宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果，霍金的态度来了个180度转弯，表示自己原来的观点错了，信息应该守恒：黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样，对其周遭的一切“完全吞食”，事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息可能会在某个时候释放出来：信息守恒。原因是先前把黑洞想得太理想化了，把黑洞热辐射也想得太理想化了。不过，霍金一直没有给出严格的证明来支持自己的新观点。索恩表示此事不能由霍金一个人说了算，他仍坚持信息不守恒的看法。普瑞斯基则表示没有听懂霍金的演讲，不明白自己为什么赢了。这一牵扯到量子论基础的敏感问题还远未解决。黑洞不是一颗死亡了的星体,它具有丰富的内涵。黑洞的霍金辐射理论表明,黑洞不仅具有一般的力学性质,而且具有量子性质和热性质。如果黑洞的辐射谱为严格的黑体谱,则黑洞辐射过程中信息丢失。Parikh和Wilczek认为,黑洞的霍金辐射的确可以看成是一种量子效应,但辐射粒子贯穿的势垒不是预先存在的,而是由出射粒子自身产生的。他们的研究结果支持信息守恒。黑洞理论的研究已经超出了黑洞本身，它不仅通过信息疑难触及了量子论的重要基石——幺正性，而且掀开了探讨时间性质的新篇章。黑洞内部有一个奇点，那是时间终结的地方。大爆炸宇宙有一个初始奇点，那是时间开始的地方。彭若斯和霍金曾经证明过一个“奇性定理”，该定理表明，任何一个真实的时空都一定存在奇点，即一定存在时间有开始或终结的过程。时间有没有开始和结束，原本是哲学家和神学家议论的话题，经过对黑洞和宇宙的研究，这一话题被纳入了物理学的领域。宇宙学家相信，太空中有许多类型的黑洞，从质量相当于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超级黑洞，不一而足。科学家过去认为，从巨大的星体到星际尘埃等，一旦掉进去，就再不能逃出，就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究，他发现，一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移，慢慢地从黑洞中“流淌”出来。霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点，他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去，黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量，而现在的最新研究表明，黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。2016年1月，斯蒂芬·霍金等人提出了新解释：落入黑洞的粒子的信息部分被位于视界线（黑洞边界）的粒子组成的“柔软毛发”所“俘虏”，这些信息并没有消失，但很难还原和破解。相关研究发表在arXiv上。[1]

宇宙就是天地万物的总称。宇宙一词最早出现于战国时代尸校的《尸子》一书中。尸佼认为：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”这样，我们可以知道“宇”是表示空间，“宙”是表示时间。空间和时间的概念，随着历史的演进而逐渐发展。宇宙的界限，随着天文学的进步而逐渐扩大。我们的祖先由于受条件的限制，只能用眼睛观测大地万物，因而错误地认为宇宙是有边界的，所以人们常说“近在眼前，远在天边”。虽然先祖关于宇宙边界的认识有失偏颇，但他们在2300多年前就巧妙地把时间和空间结合在一起，这一点是值得肯定的。而欧洲在中古以前，还是把空间与时间割裂开来的。关于宇宙的思想，我们的祖先要比当时的西方人丰富得多。随着科学技术的发展，观测工具日益先进，人们对宇宙的认识逐步加深，从太阳到太阳系，再扩展到银河系，河外星系、星系团、总星系。现已能观测到200多亿光年的宇宙深处，这个范围内包含了10亿个以上的星系。“物理宇宙”即从物理现象上进行解释的宇宙。它在空间上是无边无沿的，在时间上是无始无终的，部分为人们所见，即“观测到的宇宙”，大部分是人们的观测所不能及的。宇宙分为凝聚结构宇宙与耗散结构宇宙，凝聚结构的宇宙是无生命的宇宙，那时的宇宙是一个巨大的黑洞，所有的物质能量都向宇宙的核心收缩，慢慢的凝聚成一个巨大的物质能量团。这时的宇宙中的物质（质量体）转化成能量的速度远远的小于能量转化成物质的速度，所以宇宙便凝聚成一个超巨物质能量团。宇宙的这种状态并不能长久维持，当宇宙收缩到一定的程度后，由于其内部的温度与压强的升高，物质转化成能量的速度慢慢的变快，而能量转化成物质的速度慢慢的变慢，当这种变化到了一个临界点后，整个宇宙便发生逆转，逐渐物质转化成能量的速度远远的大于能量的速度，整个宇宙开始急剧澎涨，达到一定的程度后，宇宙便发生大爆炸，于是宇宙便开始释放与辐射能量，这便是耗散宇宙的开始，耗散宇宙便是生命宇宙。因此，宇宙是散则生，聚则死；而生命是聚则生，散则死。宇宙与生命是如此的辨证统一的。在以地球为中心的40万亿公里的范围内，没有第二个可供人类生存的星球了