什么是宇宙黑洞宇宙黑洞内部样子

黑洞，经常出现在科普文章和科幻小说中，是一个熟悉的名词，但黑洞是什么？好像又奇怪了。

接下来用简短的语言解密对你来说什么是黑洞？黑洞的示意图。

图片：美国宇航局/JPL加州理工学院在你了解黑洞之前，我们先了解一下逃逸速度是多少。

要跑的快才能脱离黑洞？脱离速度是指无动力物体脱离天体表面不坠落的最低速度。

以地球为例。

不考虑地球大气层，物体离开地球的速度是每秒11.2公里。

只要物体的速度超过每秒11.2公里，就会永远离开地球。

如果物体的速度小于逃逸的速度，它就会落回地球。

分离的速度与天体表面的引力有关，而与物体本身的质量无关。

一块小石头和一栋房子从地球表面分离的速度是每秒11.2公里。

月球的引力比地球小，所以从月球表面出发的速度只有每秒2.4公里。

太阳表面的引力比地球大，所以从太阳出来需要每秒618公里以上。

如果是在黑洞的表面 视界，离开黑洞的出发速度是多少？黑洞的逃逸速度超过每秒30万公里，也就是比光速还快。

但是世界上没有东西能跑得比光更快，所以即使是光也无法离开黑洞的表面。

也就是说，东西一旦落入黑洞的活动视界，就再也跑不出去了。

因为即使光是不可或缺的，黑洞也不会发出任何光 或电磁波。

这样的物体被称为黑洞。

史瓦西的黑洞黑洞的概念最初是从理论上计算出来的。

1915年，爱因斯坦发表了广义相对论。

几个月后，德国物理学家卡尔卡尔史瓦西发现了爱因斯坦引力场方程的精确解。

史瓦西的精确解导出了所谓的史瓦西半径，即不旋转不带电的黑洞大小。

在这个黑洞的半径范围内，任何东西都无法逃脱，包括光。

史瓦西的照片。

图片WJ维基百科史瓦西把自己的计算结果发给了爱因斯坦，爱因斯坦非常惊讶，因为爱因斯坦自己当时只算出了近似解，而爱因斯坦用这个近似解成功地解释了水星的近日点进动。

更令人敬佩的是，史瓦西当时病重，在苏联前线为德军作战。

他在这种情况下能取得如此惊人的成绩！史瓦西在给爱因斯坦的信中写道，如你所见，这场战争对我来说并不坏。

虽然我身处战争之中，但战争让我暂时远离这个世界的纷扰，徜徉在你创造的世界里。

从这段话中，我们可以看出史瓦西对科学的热爱。

不幸的是，史瓦西于1916年5月去世，享年42岁。

可能黑洞这个概念太诡异了。

爱因斯坦不认为宇宙中真的有黑洞。

他认为黑洞只存在于相对论的概念中，是理论计算出来的东西。

这个连爱因斯坦都怀疑的天体存在吗？关于黑洞的7个问题：什么是黑洞？如果太阳变成黑洞，地球会被吸进去吗？黑洞是怎么长大的？天鹅座X-1是黑洞吗？你能用黑洞进行时空旅行吗？黑洞和黑洞碰撞会发生什么？星系中心有大黑洞吗？大麦哲伦星云前方黑洞 中心的模拟图。

请注意引力透镜效应，它产生两个放大倍数来扭曲星云最高点的视野。

银河星盘出现在顶部，扭曲成弧形。

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