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黑洞的10大认知:可能是虫洞,也可能在产生新的宇宙

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-07-30

黑洞是爱因斯坦广义相对论中,宇宙空间内存在的一种天体。

1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解,这个解表明,如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——“视界”,一旦进入这个界面,由于引力很大,视界内的逃逸速度大于光速,因此即使光也无法逃脱。

这种极端天体被物理学家约翰·惠勒命名为“黑洞”。

而基于对黑洞的一些研究,我们这里盘点下人类目前对黑洞的主要认知和猜想:

1. 黑洞几乎不可见。

没有东西能逃脱黑洞的引力束缚,光自然也不例外。

一旦进入视界,则没有可能再从里面出来,因此黑洞总是一团漆黑。

但这并不代表无法观测,只要黑洞吞噬其他恒星或物质,那么其周围就可能产生吸积盘漩涡,并散射出高能的X光线。

2.黑洞的质量千差万别。

根据质量大小,黑洞基本分为三种:

恒星型黑洞:黑洞最常见的出生地位于大质量恒星的核心。

黑洞刚开始很小,然后持续吞噬周围物质不断变大。

中等黑洞:大约是太阳的几百倍到几十万倍,人类2014年才发现这种黑洞。

超大质量黑洞:质量大约是太阳的数十万到数十亿倍不等。

3.银河系中心有一个超大质量黑洞

宇宙每个星系的中心都有个超大质量黑洞,位于银河系中心的黑洞质量大约是太阳的四百万倍,距离太阳约2.6万光年。

这是相当远的一段距离。

4.黑洞不是空无一物的

别被黑洞名字欺骗了。

虽然称作洞,但并不代表没有东西。

在黑洞里极小的空间内,其实压缩了一团极大质量的物质,以致万有引力太强大,光线都无法逃出。

5.物体落入黑洞时,在消失的前一刻会变成条状

黑洞的中心是个引力“奇点”,在那个点上,所有三维空间的概念都不复存在。

巨大的立体物体全部被压缩在无限小的空间里。

物理定律不再适用!物体掉入黑洞后,由于引力的原因,即使几毫米的距离引力差也特别巨大,物体会被无限拉长、时空无限扭曲,由三维变二维,然后拉成一条线;

等到二维的线挤压到点上时,物体将完全失去维度,消失在奇点。

6. 几百年前就有人提出了“黑洞”的概念

在十八世纪90年代,英国的米歇尔与法国的拉普拉斯就通过计算,提出了「不可见星」的存在,当其质量大到一定程度后,物体逃逸速度便需超过光速。

但因为是透过牛顿的定律计算,那时还没相对论,所以计算结果并不准确,但理念是差不多的。

7.黑洞能让时间静止

假设你进入黑洞里观察物体,那么你会发现,任何事情都将无法完成,因为相对时间是静止的。

就好比找面包吃,不只是面包的外观样子的光线永远进不到你的眼睛,你去拿面包吃的路途也变得无限长,时间仿佛静止了一样。

事实上是因为光速和任何物体的移动速度,已赶不上空间的极度扭曲。

8.黑洞不是吸尘器

大家可能有一个误解,认为黑洞就像一台巨大的吸尘器,会把东西吸到别的地方。

但这实质上完全只是万有引力的作用结果! 如果我们用质量跟太阳一样大的黑洞,取代太阳放在太阳系中心,那么太阳系的行星一样会照旧运转,并不会有东西被吸入,因为那只是万有引力在支配这些。

9.黑洞可能会孵化出新宇宙

我们的宇宙或许就诞生于一个黑洞。

而如今宇宙中数以亿计的黑洞可能又在孵化出更多新的宇宙。

当质量累积到一定程度时,科学家猜测,也许就会产生类似大爆炸的事件,重生新的宇宙。

10.黑洞可能是虫洞

虫洞,又称爱因斯坦-罗森桥,是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。

电影《星际迷航》里经常用到这种时空洞进行星际旅行。

基于时间与空间的一些特质,有些科学家相信,扭曲空间的黑洞可能就是扭曲时间的虫洞。

通过黑洞,我们可能到达另外一个时空。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。

人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。

可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。

而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。

在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项,而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。

宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。

若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质!百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称,该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机,完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。

图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。

因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源:科技日报

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