黑洞里面是什么？宇宙中没有什么比黑洞更可怕
据新浪科技（匀琳）：国外媒体报道，在宇宙中，却是没有什么比黑洞更可怕了。
黑洞，是宇宙中一处引力极其强大的区域，任何物质都无法从中逃离。
最近，黑洞这个话题也时常见诸报端。
2020年诺贝尔物理学奖一半授予罗杰·彭罗斯，获奖原因是他的数学工作证明黑洞是爱因斯坦引力论的不可避免结果。
安德里亚·格兹和莱茵哈德·亨泽尔共享了另一半诺贝尔物理学奖，获奖理由是他们发现银河系的中心是一个巨大的黑洞。
黑洞尤其可怕的理由有三。
如果你掉入一个恒星死亡时形成的黑洞，你将会被撕碎；
同样地，所有星系中心的超大质量黑洞仿佛永远都是饥肠辘辘；
以及，物理定律在黑洞内不再适用。
克里斯·英佩究黑洞已有30多年，尤其专注研究潜伏在星系中心的超大质量黑洞。
大多数情况下，这些黑洞处于非活动状态。
但是，一旦活跃起来，它们会吞噬恒星和云气，靠近黑洞的区域会比该区域所在的整个星系都更加耀眼。
有活跃黑洞的星系，我们称之为类星体。
尽管过去数十年我们已经掌握了大量有关黑洞的信息，但仍有许多谜团等待我们去解决。
死于黑洞
一颗大质量恒星死亡时，可能会形成黑洞。
恒星的核燃料用尽之后，其核心塌缩成为密度极大的物质，是原子核密度的一百倍还多。
在如此大的密度之下，质子、中子和电子不再是离散的粒子。
由于黑洞漆黑一片，所以我们只能在黑洞绕一颗正常恒星运行时，才能找到它。
正常恒星的特性可以让天文学家推测出该恒星的黑暗伴星——黑洞的特性。
第一个被发现的黑洞是天鹅座X-1，也是天鹅座星座中最明亮的X射线源。
黑洞是物质的坟墓；
任何物质，甚至是光，都无法逃离黑洞。
任何人掉入黑洞，等待他的命运将是一段非常痛苦的“意大利面条化”过程。
这是斯蒂芬·霍金在《时间简史》中提出的一个有趣比喻。
在意大利面条化过程中，黑洞的巨大引力会把你拉得很长，把你的骨骼、肌肉、筋骨乃至分子一个个分开。
但丁的诗歌《神曲》中刻在地狱之门上的文字——“入此门者了断希望”，非常生动地描绘了这个过程。
每个星系中的饥饿怪物
在过去30年中，人们借助哈勃太空望远镜观测到，所有星系的中心都有一个黑洞。
星系越大，黑洞也越大。
大自然知道如何制造出质量天差地别的黑洞，从数倍于太阳质量的恒星残骸到几百亿倍太阳质量的怪物等等。
这之间的差距，好比一只苹果和吉萨金字塔之间的差距一样。
就在去年，天文学家发布了有史以来第一张黑洞照片和其事件视界。
这是位于M87椭圆星系中心的一个质量为70亿太阳质量的巨兽。
它比我们银河系中心的黑洞还大一千倍。
这些黑洞大多数时候都是漆黑一片，但是当它们的引力吸引附近的恒星和云气时，它们会爆发出剧烈的活动并释放大量辐射。
大质量黑洞的危险性存在于两方面。
首先，如果你靠得太近，巨大的引力会将你吸入黑洞。
其次，如果它们正处于活跃的类星体阶段，你可能会被高能量辐射烤焦。
类星体有多明亮？想象一下，夜晚，你盘旋在洛杉矶这样的大城市上空。
汽车、房屋和街道的灯光就是星系中的恒星。
以此类推，活跃状态的黑洞就好比洛杉矶市中心一个直径1英寸的光源，却照亮整座城市。
类星体是宇宙中最耀眼的天体。
奇怪的超大质量黑洞
迄今为止，人类发现的最大黑洞的质量是太阳质量的400亿倍，或者说是太阳系直径的20倍。
太阳系外行星的轨道周期是250年，而这个超大质量天体却可以每三个月旋转一周。
它的外边缘的移动速度是光速的一半。
和所有黑洞一样，超大黑洞也隐藏在事件视界背后，让人无从知晓其真面目。
而黑洞的中心则是一个奇点，即密度无限大的一个点。
我们无法了解黑洞的内部，因为物理定律在这里不再适用。
时间在事件视界处冻结，引力在奇点处变得无限大。
但有一个好消息是，如果你掉入一个超大质量黑洞，你可能有幸存活下来。
和小一点的黑洞相比，虽然它们的引力更强，但张力却弱一些，所以不会要了你的命。
坏消息是，事件视界犹如深渊的边缘。
一旦进入了事件视界之后，再想出来绝无可能。
所以，你掉入其中之后，即便没有死，也逃不出来，更不用说向别人讲述自己的经历。
根据斯蒂芬·霍金的说法，黑洞正在缓慢地消失。
在宇宙的遥远未来，所有恒星都死去之后，所有星系在加速的宇宙膨胀作用下越来越分散之后，黑洞将是宇宙中最后留存的天体。
最大的黑洞可能需要很长时间才会消失。
而这个很长时间，接近永恒。
换言之就是，宇宙中最可怕的天体近乎永恒存在。
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
