天文学合集笔记（二）
天文学与其他自然科学的一个显著不同之处在于，天文学的实验方法是观测，通过观测来收集天体的各种信息。因而对观测方法和观测手段的研究，是天文学家努力研究的一个方向。在古代，天文学还与历法的制定有不可分割的关系。现代天文学已经发展成为观测全电磁波段的科学。
“天文”一词最早见于我国古老著作《易经》。《易传·彖·贲》说：“刚柔交错，天文也。文明以止，人文也。”还要求君子“观乎天文，以察时变。观乎人文，以化成天下。”
妈咪说天文学视频合集观看记录第二期
天文合集笔记（一） - Murphy (murphyhoucn.github.io)
第21期到第30期
第二十一期 黑洞
18世纪，米歇尔和拉普拉斯等人就开始了对黑洞的讨论
史瓦西黑洞
爱因斯坦的广义相对论发表之后，史瓦西计算出了施瓦西解
卡尔·史瓦西，又译为卡尔·史瓦兹旭尔得（Karl Schwarzschild，1873年10月9日至1916年5月11日），出生于德国法兰克福，德国物理学家、天文学家，天文学家马丁·史瓦西的父亲。
白矮星->中子星：钱德拉塞卡极限：1.4倍的太阳质量
中子星->黑洞：奥本海默极限：静态中子星是2.2倍的太阳质量；旋转中子星是2.9倍的太阳质量
史瓦西黑洞：中心奇点，密度无限大；史瓦西半径处的曲面叫做事件视界；
事件视界（英语：event horizon），是一种时空的曲隔界线。视界中任何的事件皆无法对视界外的观察者产生影响。在黑洞周围的便是事件视界。在非常巨大的引力影响下，黑洞附近的逃逸速度大于光速，使得任何光线皆不可能从事件视界内部逃脱。根据广义相对论，在远离视界的外部观察者眼中，任何从视界外部接近视界的物件，将须要用无限长的时间到达视界面，其影响会经历无止境逐渐增强的红移；但该物件本身却不会感到任何异常，并会在有限时间之内穿过视界。
黑洞内部的时空坐标是互换的，从表面延伸到奇点是一个时间坐标轴，只要进入到事件视界中，一定按照时间坐标，朝向奇点方向。因此，事件视界以内的等半径曲面是一个等时面，奇点是时间的终点。奇点与事件视界之间的区域是真空。
史瓦西黑洞的事件视界也称为无限红移面。
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宇宙学红移：
引力时间膨胀是指在宇宙有不同势能的区域会导致时间以不同的速率度过的现象，引力导致的时空扭曲率越大，时间就过得越慢。爱因斯坦最初在自己的相对论中预测出这种现象，并其后由各种广义相对论实验中被证实。
其中一种证实方法就是把两个原子钟放在不同的高度（因此来自地球的引力效应会有差别），它们在一段时间后所测到的时间会有些许差别。其差别极小极小，甚至要用到纳秒来作单位。
引力时间膨胀首次由爱因斯坦于1907年提出，并是狭义相对论中参照对象的加速前进所导致的结果。在广义相对论中，它被视为是时空度规张量描述的在不同地点的原时的差。庞德-雷布卡实验首次直接证实了这种现象的存在。
克尔黑洞
这类黑洞的中心是一个奇环，有内、外两个视界。内视界为黑洞奇异性的界限，而外视界则为不可逃脱的界限。这就意味，一旦你落入外视界，你不会立即被黑洞的种种奇异性摧毁，但此时你将会不可避免地落入内视界。两界面仅在两极处相切。除去两视界外，克尔黑洞的最外围还有一个界限称为静止界限（简称静界）或无限红移面。静界产生于克尔黑洞的参考系拖拽效应，通俗地讲，就是克尔黑洞旋转时拖动着周围的时空一起转动。可以理解为在静界处时空的“旋转速度”等于光速，这就意味着静界内的飞船无论如何不能保持相对静止（物体移动的最大速度为光速）。静界并非克尔黑洞的真正界限，因为进入静界后仍然可以逃离。静界和视界之间的夹层称为能层。克尔黑洞可能与白洞连接，因此，进入克尔黑洞的物体只要不撞在奇环上就有可能从白洞出来。
在内视界内部，和史瓦西黑洞一样有一个奇异性质汇聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那样是一个奇点，而是一个独特的奇异环，一个充满了量子效应奇异性质的面，安静地平躺在黑洞赤道面上。
由于克尔黑洞有能层，意思就是能够从中提取能量的一层。克尔黑洞的能量组成有两部分：质量对应的引力势能和转动对应的转动动能。我们所能提取的是转动能。
提取方法：派飞船进入能层，然后朝黑洞转动方向的反方向扔下一个重物，然后快速离去。这个过程会使黑洞转动的角动量降低，减少的部分转移到飞船上，另外，转动量也降低，这部分能量也转移到了飞船上，这就从黑洞中提取了能量。不过，黑洞也不吃亏，它虽然失去了转动能，但是得到了一大块物质。黑洞并不在乎转动能，它在乎的是视界的面积。黑洞进行的任何活动都保持视界面积只增加不减少，上述过程能够使视界面积增加，所以能够进行。
狄拉克之海简单说就是量子真空的零点能组成的负能量的粒子海。尽管这些粒子是不可观察的，但它们决不是虚幻的，如果用足够的能量就可以形成，哪里有物质，哪里就有狄拉克之海，想象观察到的宇宙就好像漂浮在其表面上。
罗杰·彭罗斯（Roger Penrose，1931年8月8日-），英国数学物理学家、牛津大学数学系名誉教授，他在数学物理方面的工作拥有高度评价，特别是对广义相对论与宇宙学方面的贡献。
罗杰·彭罗斯出生于英国埃塞克斯州的一个医生家庭，他的爸爸是著名的人类遗传学家莱昂内尔·彭罗斯。罗杰·彭罗斯毕业于伦敦大学的附属中学，而后本科毕业于英国伦敦大学学院（UCL）。 [1]
2020年10月6日，瑞典皇家科学院常任秘书戈兰·汉松宣布，将2020年诺贝尔物理学奖授予罗杰·彭罗斯，因为其发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测。
彭罗斯过程
1969年，英国物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提出，可以通过将一个物体丢入黑洞的能层(黑洞事件视界的外层)来泵出能量。
彭罗斯率先发现，黑洞的能层有一个奇怪的特性：落入其中的物体将在这个不寻常的空间区域中获得负能量。用通俗的比喻，大概可以理解成，当你被黑洞捕获时，你的“财产”包括你本身就不再属于自己了，而是属于黑洞；在落入债权人“黑洞”手里之前，你在客观层面保有自己的资产；等落到债权人手里之后，立刻就被盘剥一空，你自己也归人家所有，而你甚至还要为黑洞把你抓进来而付出的能量买单！所以你的资产(能量)就是负的。
既然如此，如果我们把类似二级火箭的东西投入黑洞，在接近能层的高度，让火箭点火分离。借助反冲力，火箭的上半部分扭转下坠之势，下半部分则加速落入黑洞。
落入黑洞的那部分，转为负的质量能；再考虑整体的能量守恒和动量关系，逃逸的那部分携带的能量大于它在二级助推时反冲作用获得的能量！相当于变相从黑洞中泵出了能量。但能量不会无中生有，逃逸出来的多了，说明黑洞的就少了。但是黑洞确实吞下了物质，质量不会减少，那黑洞损失了什么？角动量！
通过彭罗斯过程，不断从克尔黑洞中提取能量，克尔黑洞最终会变成史瓦西黑洞。
裸奇点是理论中没有视界包围住的引力奇点。在广义相对论中所描绘的黑洞是由奇点与包围住它的视界所构成，速度最快的光也无法逃脱到视界之外，因此理论上外界观察者无法直接观测到黑洞内部的现象。裸奇点则与之相反，光与其他粒子有机会逃离奇点至远方，而视界因此不存在；外界观察者有机会观察到发生在奇点附近剧烈扭曲时空的现象。
裸奇点的存在对于天文物理等领域来说有其重要性，其中之一是可能得以观察到星体坍缩成无限大密度的点的一些过程。另一方面，其存在与特性乃是对量子引力理论进行检验的良好机会。
宇宙监察假设由著名物理学家罗杰·彭罗斯于1969年提出。彭罗斯猜测，在一颗恒星的坍缩过程中如果产生一个奇点，就必然会有一个事件视界随之形成。
克尔纽曼黑洞
旋转带电黑洞称为克尔-纽曼黑洞，具有电荷的旋转黑洞非常象一个质子，但它必然比质子大，因为形成黑洞有一个质量下限，那就是奥本海默质量下限，大概是2到3个太阳质量。也就是说，在经典广义相对论中，不能把质子想象成为一个黑洞，因为两者在尺度上，是具有基本介绍天壤之别。但带有电荷的旋转黑洞是最普遍的，这就是克尔——纽曼黑洞。
黑洞无毛定理是1973年霍金、卡特尔（B. Carter）等人严格证明了“黑洞无毛定理”：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定”
即当黑洞形成之后，只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他一切信息（“毛发”）都丧失了，黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质，对前身物质的形状或成分都没有记忆。其实这是一种消繁归简的命名原则！ 于是“黑洞”的术语发明家惠勒（J.A. Wheeler）戏称这特性为“黑洞无毛”。
霍金对黑洞的贡献
推广了奇点定理
彭罗斯证明了，在 大质量天体 塌缩成黑洞的过程中，必然存在一个点，所有的塌缩物质在这个点之后不再存在路径。
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2020 年诺贝尔物理学奖将一半颁给了
罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose)
以表彰其给出的黑洞形成的证明，并成为广义相对论的有力证据。
另一半由
赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)
安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)
共享，表彰他们在银河系中心发现超高质量高密度物质。
2020 年诺贝尔物理学奖将一半的奖金颁给了罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）其证明了黑洞的形成，这成为广义相对论的有力证据。
黑洞的概念其实早就有了，早在 18 世纪米歇尔还有拉普拉斯等人就讨论过，一个具有与地球同样密度，而直径为太阳 250 倍的明亮天体，它发射的光将被自身引力吸引而不能被我们看到。
出于这个朴素的想法，宇宙中最明亮的天体却很可能是看不见的。在前面的论述中，拉普拉斯还给出了黑洞的史瓦西半径公式。
虽然这个公式确实是对的，和今天用广义相对论推导得出来的一样，但是当时拉普拉斯是通过把光假设成粒子，用万有引力定律计算的，这个计算过程不太对。后来爱因斯坦发表了广义相对论，很快史瓦西就根据理论场方程给出了史瓦西解。
第一张黑洞照片
黑洞的史瓦西解在当时并没有引起多大重视，这个解说时空中间是一个奇点，密度无限大，这实在是超乎想象。但是现在第一张黑洞照片也已经被拍摄出来了，我们几乎确信黑洞就是真实存在的。黑洞长什么样呢？对于史瓦西黑洞，黑洞中间就是一个奇点，这个点密度无限大，在史瓦西半径处这个曲面就叫做事件视界，也就是说只要物质——包括光，进入到事件视界以内，就别想出来了。黑洞比较特殊，它内部的时空坐标是互换的，就是我们理解的半径从表面一直延伸到奇点，这是一个时间坐标，只要进入到黑洞内部，就必须往奇点方向掉，所以严格来说事件视界以内的等半径曲面是一个等时面，奇点处就是时间的终点。假如有一艘宇宙飞船它掉进黑洞的事件视界里了，那他无论向哪个方向加大动力，都只能让他更快地奔向奇点，直至相撞。
不过关于黑洞的形成，从这个抽象的概念提出以后就有人怀疑，说黑洞坍缩之后会不会不存在奇点呢？ 我们计算出来的奇点可能是理想中的情况，在一个高度对称的情况下的结果，广义相对论的场方程因为十分难解，所以人们确实会先考虑一些对称的情况。但是真实情况，恒星坍缩很有可能不是高度对称的，恒星可能是奇形怪状的，每个地方坍缩的速度不一样，所以最终有可能不是坍缩成一个点。
这件事儿就是彭罗斯最先给出证明的，他证明了对于史瓦西黑洞不管是不是高度对称，恒星原来可能长的奇形怪状的，都没关系，最终都会坍缩成一个点，就是一个密度无限大的奇点。
后来是霍金在博士论文中把彭罗斯的证明进行了推广，这是 1966 年的事儿，当年霍金 24 岁，他把彭罗斯的奇点定理推广到了任意黑洞，正是这个奇点定理保证了奇点的存在，这个点在物理上的理解就是时间结束的地方，所有物质只进不出，所以后来人们又研究，那会不会存在时间开始的地方呢？所有物质只出不进呗？理论上存在，就是白洞，广义相对论允许黑洞和白洞的存在。
但是黑洞可以由恒星坍缩形成，那白洞怎么形成呢？这个问题现在还不是很好理解，所以物理学家其实讨论的并不多。1970 年霍金和彭罗斯共同合作又写了一篇论文，他们认为宇宙大爆炸就是开始于一个奇点，这个奇点就是一个白洞，并且在宇宙大爆炸初期还会形成一些质量很小的黑洞，不过这个但是到现在为止还没有观测证据。
五十多年来，物理学家一直认为，银河系中心可能存在一个黑洞。自从 19 世纪 60 年代初发现类星体以来，物理学家就认为在包括银河系在内的大多数大型星系中可能会发现超大质量黑洞。然而，目前还没有人能解释星系及其黑洞是如何形成的，并且这些星系及其黑洞的质量介于几百万到数十亿之间。
一百年前，美国天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）率先在人马座的方向上确定了银河系的中心。在后来的观察中，天文学家在那里发现了一个强大的无线电波源，并将那里标记为人马座 A。到了 19 世纪 60 年代末，人们发现，人马座 A 占据了银河系的中心，并且银河系轨道上的所有恒星都围绕着它。
直到 19 世纪 90 年代，更大的望远镜和更好的设备才使我们对人马座 A* 能进行更系统的研究。赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）各自开始了一项研究，他们试图穿过尘埃云观测到银河系的中心。他们与研究小组一起开发和完善了技术，搭建了专业的实验装置，并致力于长期研究。
图三 银河系，我们的星系，它的形状像一个大约 100,000 光年大的光盘。它的旋臂由气体和灰尘以及几千亿颗恒星组成。我们的太阳是这些恒星中的一个。
只有世界上最大的望远镜才能注视遥远的恒星——天文学上绝对越大越好。德国天文学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和他的小组最初使用的是 NTT，即智利 La Silla 山上的新型望远镜。后来，他们将观测地点移至 Paranal 山脉（也在智利）的甚大望远镜设施 VLT。VLT 拥有四台巨型望远镜，其大小是 NTT 的两倍，具有世界上最大的单片镜，每片镜的直径均超过 8 米。
在美国，安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）和她的研究小组使用位于夏威夷冒纳凯阿山（Mauna Kea）上的凯克望远镜。凯克望远镜的口径有近 10 米，是目前世界上口径最大的光学/近红外线望远镜。它由 36 个六边形镜片以蜂窝状组合而成，可以分别控制这些镜片来更好地聚焦星光。
因为我们生活在深达100公里的大气环境中，所以无论望远镜有多大，它们所能分辨的细节都会有所限制。望远镜上方或周围的温度比周围环境高或低，它们上方的空气会像透镜一样将光线折射到望远镜的镜片上，使光波失真。这是星星闪烁的原因，也是其图像模糊的原因。
自适应光学的出现对于改善观测至关重要。望远镜现在会配备了一个薄的附加镜片，用来补偿空气的湍流带来的影响并校正畸变的图像。
近三十年来，赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）在遥远的银河系中心恒星混杂的环境中观测恒星。他们不断开发和完善他们的技术，并配备了更加灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学器件，使图像分辨率提高了千倍以上。他们现在能够更精确地确定星星的位置，并长期进行跟踪。
研究人员追踪了众多恒星中约 30 个最亮的恒星。恒星在距中心一光月半径内移动最快，在其中进行忙碌的舞蹈，就像一群蜜蜂一样。另一方面，在该区域之外的恒星则以更有序的方式遵循其椭圆形轨道。
来自两个不同团队的观测结果符合地非常好，这让我们足以肯定在我们所处的银河系的中心，存在着一个黑洞，其质量大约为 4 百万倍太亮质量，其占据的体积和我们的太阳系大小相当。
我们可能很快就能直接看到人马座 A。这个观测活动就在计划中，在一年以前，事件视界望远镜成功地对一个超大质量黑洞和其周围环境进行成像。这个黑洞就是 M87 星系（又称室女座A星系）黑洞，距离我们 5.5 千万光年，看起来像在漆黑的眼眸外围着一圈深红的火。M87星系黑洞是如此巨大，比起人马座 A 要大 1000 倍。不过和也是在最近发现的相撞产生引力波的两个黑洞相比，这俩还是轻得多。像黑洞一样，在此之前引力波仅作为爱因斯坦广义相对论的理论推演而存在，然后于 2015 年秋季被美国 LIGO 探测器首次探测（2017 年诺贝尔物理学奖）。
罗杰·彭罗斯证实了黑洞是广义相对论的直接结果，广义相对论在超强重力下仍然适用。理论物理领域中正努力构建一套新的量子引力理论。这必须要将物理领域中的两大支柱相结合——相对论与量子力学，黑洞的内部必然是两大理论共同作用的结果。
同时，观测活动越来越靠近黑洞。赖因哈德·根策尔与安德烈娅·米娅·盖兹的开创性工作为广义相对论及其最古怪的预测提供了新一代精确检验。这些测量也很有可能为新的理论观点提供线索。宇宙仍然有很多秘密与惊喜等着我们去发现。
霍金将彭罗斯的奇点定理推广到了任意黑洞中。
黑洞奇点是时间结束的地方，白洞是时间开始的地方。广义相对论允许黑洞和白洞的存在。
黑洞由恒星坍缩而成，但是白洞如何形成，天文学家和物理学家，还没有解释清楚。
白洞是一个强引力源，其外部引力性质均与黑洞相同，白洞可以把它周围的物质吸积到边界上形成物质层。白洞理论主要可用来解释一些高能天体现象。 [1]
白洞是宇宙中的喷射源，可以向外部区域提供物质和能量，但不能吸收外部区域的任何物质和辐射，所以白洞是一个只发射、不吸收的特殊宇宙天体，与黑洞正好相反。
广义相对论所预言的一种性质正好与黑洞相反的特殊天体。白洞还仅是一种理论模型，但尚未被观测所证实。按照白洞理论，白洞和黑洞相似，也有一个封闭的边界。聚集在白洞内的物质，只可以经边界向外运动，而不能反向运动。因此这种天体外面的物质不能进入。
根据白洞理论，有人认为类星体的核心可能是一个白洞。当白洞内超密态物质向外喷射时，就会同它周围的物质发生猛烈的碰撞，从而释放出巨大能量。由此推断，有些X射线、宇宙线、射电爆发、射电双源等现象，可能会与白洞的这种效应有关。白洞的力是排斥力与黑洞的吸引力相反的力。
1970年，史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）发表了一篇著名的论文，他们证明了，如果让时间一直倒流，那么宇宙故事的开场将是大爆炸奇点。
提出了黑洞面积定理
黑洞的表面只能随时间增加，不能随时间减小
两个黑洞可以合并成一个，但是一个黑洞不能分裂成两个
1971年，霍金在宇宙监督假设和强能量条件的基础上推导出了黑洞面积定理：黑洞的表面积不会随着时间的推移而减少。面积定理吸引了许多物理学家，因为它反应了热力学第二定律，即熵不能随着时间减少。
1971年，霍金在宇宙监督假设和强能量条件的基础上推导出了黑洞面积定理：黑洞的表面积不会随着时间的推移而减少。面积定理吸引了许多物理学家，因为它反应了热力学第二定律，即熵不能随着时间减少。
如果黑洞把物体吸入内部，那么它的质量会增加，从而也增加了黑洞的表面积。但是，被吸进的物体会使黑洞角动量增加，使表面积减少。不过，由于附加质量而增加的表面积总是大于由附加转动减少的表面积，最终结果是黑洞的表面积还是增加了。
根据面积定理，两个黑洞可以合并成一个黑洞，合并后的表面积大于合并前各黑洞表面积之和。但是，如果一个大黑洞自发地分裂成两个小黑洞，那么总的表面积将会减少，这和面积定理相违背，因此是不可能发生的。
理论需要实验的证明，而引力波天文学的发展使我们得以验证霍金的面积定理。麻省理工学院天体物理学家团队分析了2015年探测到的第一个引力波信号。他们将数据分成两个时段：合并前和合并后，且分别计算了它们的表面积。结果发现，新形成黑洞的表面积大于两个旧黑洞的表面积之和，实验的置信水平为95%。
黑洞和引力波是广义相对论的结果，而面积定理也是从广义相对论发展而来的。之前引力波的观测结果很好地符合了广义相对论，因此面积定理也不太可能偏离。
霍金的面积定理很好地把黑洞与热力学联系在一起，而霍金辐射则把广义相对论和量子力学联系在一起。由于量子涨落，宇宙中会“凭空”产生一些粒子，通常情况下，这些粒子成对出现并快速结合而湮灭。但是，如果这些粒子出现在黑洞视界附近，其中一个粒子落入黑洞中，另一个粒子自由地逃往宇宙，黑洞就发出了霍金辐射。
霍金辐射会使黑洞的表面积收缩，违反面积定理。不过，由于霍金辐射非常微弱，需要极长的时间才能观察到面积的缩小，因此它不会阻碍实验的进行。
为了解释宇宙中大质量超巨星坍缩时产生的现象，惠勒创造了“黑洞”这个相当简洁、贴切、概括性的词汇。此外，惠勒还在核裂变研究领域获得创造性成果，选定铀－235作为制造原子弹的原料，是第一位从事原子弹理论研究的美国人。他曾从事氢弹研制工作，在统一场研究中有相当成就。惠勒在量子理论和相对论研究上成就巨大，他还创造了诸如“虫洞”和“量子泡沫”等词汇，并且成为物理学中的重要术语。
黑洞 推翻物理法则
事实上，惠勒在一个问题上将爱因斯坦理论向前大大推进了。
1939年，后来成为“曼哈顿计划”负责人的罗伯特·奥本海默（Robert Oppenheimer）与一名学生称，爱因斯坦的方程式做出了一个天启式的预言：一颗足够重量的死恒星将会崩裂，它制造出极密的堆积，以致光都无法穿越。这颗恒星会一直分裂下去，而宇宙空间则会像个黑斗篷一样将其包裹。在这个堆积中心，空间会无尽地弯曲，物质无穷密集，形成一种既密实又单一的矛盾景象，也就是我们现在说的物质为零的“黑洞中心”。
惠勒最先是反对这个结论的。1958年在比利时的一场会议中，他与奥本海默对峙。惠勒说，这个崩溃理论未能很好地解释类似恒星中物质的命运，他反驳说，物质怎么可能竟然发展到无物质呢。毕竟，物理法则怎么可能发展到违背自己以达到“无物理”的地步呢？
但是很快，当解释这颗崩裂行星的内部和外部的数学公式出现时，他与其他一些学者都被说服了。1969年在纽约的一次会议上，为了说服场下听众，他灵机一动，冒出了“黑洞”这个词，以描述这些恒星可怕而充满戏剧性的命运。“黑洞”一词从此流传开来。
在惠勒1999年的自传中，他写道：“黑洞教育我们空间可以像纸一样被揉捏成一个无穷小的点，小到时间会像火焰一样被熄灭，而我们之前所以为的‘神圣’不可变的物理法则也再不是那样了。”
1976年，惠勒从普林斯顿大学退休，来到了得克萨斯大学，同时，他开始思考曾经让爱因斯坦和玻尔都感到迷惑的一个问题：如何用量子结构的奇怪法则来观察现实。“量子革命”的基础是海森堡1927年提出的“不确定原理”，这个原理给认识自然物质加了很多限制，比如它认为即使在理论上，人们也是不可能同时知道亚原子粒子的速度和位置的。在这种条件下，如果不去观察的话，亚原子粒子及其运动就会处于一片惠勒称之为“巨大的烟雾龙”的粒子云状态中，模糊不清。这个想法曾让爱因斯坦很沮丧，他甚至有一次问惠勒，如果人们都不去看月亮的话，那月亮还会不会在天上？
不过，惠勒却在思考，量子不确定原则是否能运用于整个宇宙和历史，这点是否是认识所有存在物质的关键。“我们不再满足于仅仅观察粒子，或引力场，或几何，甚至时空，”他在1981年的一篇文章中写道，“今天我们对物理的要求是，要了解存在本身。”
作为一位出色的教育家，惠勒对于教育有特殊的理解。“大学里为什么要有学生？”惠勒说，“那是因为老师有不懂的东西，需要学生来帮助解答。” 1970年代初期，惠勒的学生贝肯斯坦（Bekenstein）提出，黑洞的视界面积正比于黑洞的熵，这个思想与当时的霍金等人“黑洞无毛”的观点相悖，几乎所有的黑洞物理学家都站在霍金一边，只有惠勒支持贝肯斯坦，他说：“这个想法足够疯狂了，所以它很有可能是对的。”而贝肯斯坦的确对了。早逝的费曼曾经说：“有人说惠勒晚年陷入了疯狂，其实惠勒一直都疯狂。”
1972年，美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞“无毛定理”：星体坍缩成黑洞后，只剩下质量，角动量，电荷三个基本守恒量继续起作用。其他一切因素（“毛发”）都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。
物质场的纠缠熵及与黑洞熵的关系 - 知乎 (zhihu.com)
霍金辐射
第二十二期详解
黑洞辐射（英语：Hawking radiation）是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射。此理论在1974年由物理学家史蒂芬·霍金提出。有了霍金辐射的理论就能说明如何降低黑洞的质量而导致黑洞蒸散的现象。
第二十二期 黑洞信息佯谬
霍金的经历
斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），1942年1月8日出生于英国牛津，出生当天正好是伽利略逝世300年忌日。父亲法兰克是毕业于牛津大学的热带病专家，母亲伊莎贝尔1930年毕业于牛津研究哲学、政治和经济。
霍金毕业于牛津大学（University of Oxford）和剑桥大学（University of Cambridge），并获剑桥大学博士学位。
1959年17岁的霍金入读牛津大学的大学学院攻读自然科学，用了很少时间而得到一等荣誉学位，随后转读剑桥大学研究宇宙学。
1963年，21岁的他不幸被诊断患有肌肉萎缩性侧索硬化症即运动神经细胞病。当时，医生曾诊断身患绝症的他只能活两年，可他一直坚强地活了下来。
1965年，23岁时他取得了博士学位留在剑桥大学进行研究工作。
福雷德·霍伊尔是英国天文学家，他解决了或协助解决了二十世纪天文学的许多重要问题，并激励其他的科学家进 行研究。今天，许多天文学家常常提到霍伊尔，认为他是最初灵感的源泉。
福雷德·霍伊尔因对恒星内部由氢元素产生其它元素的一种叫做核子融合的过程所做的解释而为科学家们所熟知，然而他最著名成就是他的宇宙稳态理论。
1948 年英国邦迪（Hermann BOndi，1919-），霍伊尔（Fred Hoyle，1915-）和戈尔德（Thomas Gold，1920-）等人提出的宇宙模型。提出完全宇宙学原理，即宇宙在空间上均匀各向同性，在时间上稳恒不变；认为宇宙各处不断从虚无中产生物质，以保证宇宙膨胀中物质密度维持不变。克服了宇宙年龄困难和光度徉谬。在理论上违背了通常的守恒律，没有说明物质产生的具体途径和机制；在观测上得不到星系、射电源计数的支持，也无法解释背景辐射和元素丰度等事实。这条原理必须承认标准大爆炸模型，假若宇宙以一种极不规则的方式演化，即不会有生命及人类进化出现了，其无法承载所有物理定律，故其被否定了。
Dennis Sciama (1926–99) | Nature
霍金在剑桥研究生时候的老师
Penrose在新书（Cycles of Time）的前言里，说他50多年前到剑桥读数学研究生时，跟Dennis Sciama学过宇宙学。他那本上了电影镜头的大书The Road to Reality (http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=365906) 也是敬献给Sciama的——虽然他读的数学，并不是Sciama的专业。 Sciama是大师傅Dirac的博士（1953），他自己也成了引领英国宇宙学的大师傅。他（还有美国的Wheeler, 俄罗斯的Zel’dovich）通过徒子徒孙们，塑造了宇宙学的今天。 与那两位导师不同的是，Sciama把大部分精力都用来为剑桥的学生营造理想的成长环境，而把个人的研究放在第二位。所以，他比学生还“落后”，一直没当上剑桥教授，也没获得学生那样的荣誉。 他就像催化剂，促进同学逼近科学前沿。如果伦敦有什么精彩演讲，他会带着同学坐火车去听。他认为，认识宇宙的最佳路线就是依靠他的学生，让学生去解决最艰难的问题，而他去寻找新的问题…… 从Sciama门下走出了30多个学生，包括**George Ellis (1964), Stephen Hawking (1966), Brandon Carter (1967), Martin Rees (1967), Gary Gibbons (1973), James Binney (1975)**等，随便检索几十年来的宇宙学文献，就知道他们是什么样的同学。根据数学物理“族谱”的统计，这些学生的学生有300多个。（http://genealogy.math.ndsu.nodak.edu/id.php?id=72653&fChrono=1 ）
Sciama的书我只读过一本《现代宇宙学》（有商务印书馆中译本），是他那个时代的入门读物。宇宙学也没忘这个好老师，2009年3月，Portsmouth大学将宇宙学与引力论研究所（ICG）大楼命名为Sciama楼。
Dennis Sciama (1926-1999)
霍金辐射
史蒂芬·霍金最伟大贡献：霍金辐射 - 知乎 (zhihu.com)
经典的黑洞模型是黑洞只进不去，霍金将量子效应加入到了黑洞之中，量子理论中，真空不是空无一物的，真空中不停地有虚粒子对的出现（一个虚粒子和一个虚反粒子，且在短时间内迅速湮灭）
虚粒子在短时间内如果不能迅速湮灭，那虚粒子就能通过量子隧穿效应变成实粒子，从而被观察到。
在量子力学里，量子隧穿效应（Quantum tunneling effect）指的是，像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。在经典力学里，这是不可能发生的，但使用量子力学理论却可以给出合理解释。
卡西米尔效应（英语：Casimir effect）是由荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）于1948年提出的一种现象，此效应随后被侦测到，并以卡西米尔为名以纪念他。其根据量子场论的“真空不空”观念——即使没有物质存在的真空仍有能量涨落，而提出此效应：真空中两片中性（不带电）的金属板会出现吸力；这在经典理论中是不会出现的现象。这种效应只有在两物体的距离非常之小时才可以被检测到。例如，在亚微米尺度上，该效应导致的吸引力成为中性导体之间主要作用力。事实上在10纳米间隙上（大概是一个原子尺度的100倍），卡西米尔效应能产生1个大气压的压力（101.3千帕）。一对中性原子之间的范德瓦耳斯力是一种类似的效应。
在量子场论里，尤其是量子电动力学， 真空极化是一个在背景电磁场中产生电子-正子虚粒子对的过程。 产生的虚粒子对会改变原本电荷和电流的分布。 有时这被视作规范玻色子（光子）的自身能量（self energy）。 1997年，日本TRISTAN粒子加速器观测到真空极化的现象。
根据量子场论，一个包含作用粒子的基态（或真空态）不单纯只是个空无一物的空间， 它包含了存活时间很短虚正反粒子对，从真空中产生并彼此湮灭。
部分正反粒子对带有电荷，例如正负电子对。 这类的粒子对会形成电偶极矩。在电磁场的作用下粒子对会产生位移，并且反过来影响电磁场。 （部分的遮蔽效应或介电质效应） 因此场的作用会比原先预期的来得小。 而这个虚粒子对转向的过程就是真空极化。
霍金辐射（英语：Hawking radiation）是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射。此理论在1974年由物理学家史蒂芬·霍金提出。有了霍金辐射的理论就能说明如何降低黑洞的质量而导致黑洞蒸散的现象。 [1]
而因为霍金辐射能够让黑洞失去质量，当黑洞损失的质量比增加的质量多的时候就会造成缩小，最终消失。而比较小的微黑洞的发散量通常会比正常的黑洞大，所以前者会比后者缩小与消失的速度还要快。
霍金的分析迅速成为第一个令人信服的量子引力理论，尽管目前尚未实际观察到霍金辐射的存在。在2008年6月NASA发射了GLAST卫星，它可以寻找蒸发的黑洞中γ射线的闪光。而在额外维度理论，高能粒子对撞也有可能创造出会自我消失的微黑洞。
2010年9月，一项模拟重力研究的结果被部分科学家认为是首次展示出霍金辐射的可能存在与可能性质。然而，霍金辐射仍未被实际观测到。
黑洞是一个万有引力极大的地方，它周围的物质会被重力拉进去。以经典力学上来说，它的引力超强，甚至电磁辐射波也无法逃脱。目前虽尚未了解如何统一重力与量子力学，但远离黑洞之处的重力效应却微弱到依然可以使计算结果符合弯曲时空的量子场论框架。霍金表示量子效应允许黑洞发射精确的黑体辐射。这电磁辐射仿佛被一个温度和黑洞的质量成反比的黑体发出。
举例来说，太阳质量的黑洞的温度仅有60nK；事实上，黑洞会吸收比自身发射要多得多的宇宙微波背景辐射。黑洞的温度吸收与其发射数量相等的辐射。更小的原生黑洞则会散发比自身吸收更多的辐射，因此逐渐失去质量。
在没有霍金辐射的概念以前，物理界有一个难题，就是如果把有很多熵的东西丢进黑洞里，那岂不是把那些熵给消灭掉了吗？但是熵在宇宙里是永增不减的，因此这代表黑洞应该也有很多熵，而有熵的任何东西都会释放黑体辐射，因此黑洞也会释放黑体辐射？但释放的机制又如何？霍金辐射就解释了黑洞释放黑体辐射的机制。根据海森堡测不准原理，在真空中会瞬间凭空且自然地产生许多粒子-反粒子（虚粒子）对，并且在极短的时间内成对湮灭，在宏观上没有质量产生。
雅可夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇、雅各布·贝肯斯坦和史蒂芬·霍金等物理学者将量子力学和广义相对论结合起来，结果显示视界的温度并非是零，而且还会发光，虽然极其微弱。这种光就是所谓的“霍金辐射”；当成双成对的粒子——如电子和正电子，或一对光子——在强烈的引力场中被制造出来时，其中一个粒子会坠入黑洞，另一个会逃离，从而产生这种辐射。
如果一个粒子对在黑洞附近形成，由于黑洞的引力场很强，导致配对诞生的正反粒子被扯开，有可能有一个跌入事件视界，而另一个没有，从而被黑洞的引力提升成实粒子。但这样就违反了能量守恒定律，所以另一个粒子的质量一定是从黑洞本身的质量而来——这就是黑洞释放辐射的一个简化解释。
绝对真空违反了量子力学中的不确定性原理，所以并不存在。当空间趋向绝对真空的过程中会产生虚粒子对，两个粒子对撞后又会消失，这样即不会违反量子力学，也不会违反物质守恒。当这种量子现象发生在黑洞的视界边缘，视界之外的虚粒子因为在视界之外，所以可以被观测到，从而变为实粒子，而视界之内的虚粒子因为在视界之内，所以会被黑洞吞噬，不会被观察到。因为视界之外的粒子是带有质量的真实粒子，由质量和能量守恒定律，视界之内被黑洞吞噬的粒子有负质量，所以黑洞的质量会因为这样的作用而减少。从外界看来，黑洞好像在慢慢蒸发。黑洞越小，蒸发速度越快，直到黑洞完全的蒸发。但由于这样的作用极为缓慢，和太阳质量一样的黑洞需要用大约10年来蒸发0.0000001%的质量。
霍金辐射理论带来的结论：
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黑洞信息佯谬
黑洞信息佯谬（英语：black hole information paradox）起源于量子力学与广义相对论两者的结合。其指出物理信息可能永久消失于黑洞中，导致许多量子态简并为单一状态。
黑洞信息佯谬（英语：Black hole information paradox）起源于量子力学与广义相对论两者的结合。其指出物理信息可能永久消失于黑洞中，导致许多不同的物理状态最终会变为相同的状态，跟无毛定理的内涵相符合。这现象违反了一个科学上的宗旨，亦即原则上，由于量子决定性，一物理系统于某个时刻的完整信息会决定其它任意时刻的状态。量子力学中的一项基础假设指出：一系统的完整信息涵盖于其波函数，直到发生波函数坍缩。波函数的时间演化由幺正算符来决定，而幺正性暗示了量子世界信息的保存。
关于黑洞信息佯谬，有两项原理主导：
这两项原理的结合则表示信息总是得以保存。
1970年代中期以来，史蒂芬·霍金与雅各布·贝肯斯坦将基于广义相对论与量子场论的黑洞热力学推展，发现其结果不只与信息守恒律相矛盾，而且无法解释信息丧失的情形。霍金的计算指出，霍金辐射将导致黑洞蒸发而消失，辐射出来的粒子也不会携带任何黑洞内部的线索，导致其中的信息将永远消失。 [1]
今日许多物理学家相信全息原理（特别是AdS/CFT对偶）可指出先前霍金结果的错误，而信息实际上是保存的。2004年，霍金对先前索恩-霍金-普雷斯基尔赌局认输，承认黑洞蒸发确实会保存信息。
1975年，史蒂芬·霍金与雅各布·贝肯斯坦提出黑洞会缓慢地向外辐射能量，导致了一个问题。由无毛定理，我们可推论霍金辐射完全与进入黑洞的物质不相关。然而，如果进入黑洞的物质是个纯量子态，其状态最终会被变换成为霍金辐射的混合态，进而毁灭原量子态的信息。这违反了刘维尔定理对信息守恒的预测并导致了物理上的佯谬。
更精确地说，若有个处于量子纠缠的标量子态，且该纠缠系统之一部分被抛入黑洞中，留下另一部分在黑洞外。现思考对应于这纯态的密度算符，取这密度算符对于进入黑洞部分的偏迹数，则结果会显示出，在黑洞外的部分处于混合态。但由于任何在黑洞内部的物体都会在有限时间内击中引力奇点，取偏迹数的部分可能会从物理系统里完全消失地杳然无踪。
霍金相信黑洞热力学与无毛定理的结合会导致量子信息被毁灭的结论。然而，约翰·普雷斯基尔等物理学家则认为信息不会在黑洞中消失，并为此和霍金与基普·索恩在1997年打了一场赌。这导致伦纳德·萨斯坎德与杰拉德·特·胡夫特对霍金的理论“宣战”，萨斯坎德并在2008年著书《黑洞战争》专述此事。该书并特别说明这场“战争”纯粹是科学上的争论，而参与双方仍旧是朋友。该书以胡夫特提出、萨斯坎德赋予弦论上诠释的全息原理作为整场“战争”的总结。
目前，物理学界有数种解决此佯谬的可能方案。自从1997年胡安·马尔达西那提出AdS/CFT对偶之后，物理学家们大多认为信息是守恒的，并且霍金辐射不完全是热力学的，而是有着量子修正。此外还有其他的可能性，譬如说信息在霍金辐射的末尾被保存在普朗克尺度残余，又或者量子力学定律的修正以允许非幺正性的时间演变。
2004年7月，史蒂芬·霍金发表了一篇论文，其中提到事件视界的量子摄动可能可以允许信息从黑洞中逃出，并可能可以解决此佯谬。他的论述假设AdS 黑洞与热量子共形场论之AdS/CFT对偶的幺正性。在宣布他的结论之后，霍金对先前的索恩-霍金-普雷斯基尔赌局认输，并赠送普雷斯基尔一本棒球百科全书，因为“从中可以任意获取信息”。然而，索恩并没被霍金的证明所说服，因此并未对该赌局认输。2015年3月17日，德扬·史杜高域（Dejan Stojkovic）与安舒尔·赛尼（Anshul Saini）发表在《物理评论快报》的论文表示，若考虑原先被忽略的粒子间相互作用，霍金辐射即能符合幺正性，信息因此不会丧失。2015年8月25日，霍金在斯德哥尔摩皇家工学院发表演说，并认为信息可能被储存在事件视界上，即便原先携带该信息的粒子已经坠入黑洞中，储存在事件视界上的信息则会随霍金辐射重新释放至外界。
根据罗杰·彭罗斯的说法，量子系统中幺正性的丧失并不是一个问题，因为量子测量本身即不具备幺正性。彭罗斯宣称量子系统在重力的影响之下将不再具备幺正性，而黑洞中正是如此。彭罗斯提出的共形循环宇宙学严重依赖于信息在黑洞中丧失的条件。这个新形态的宇宙学模型可使用对宇宙微波背景辐射（CMB）数据的详细分析做测试。如果该理论是正确的，则宇宙微波背景辐射将展现温度略高或略低的圆形模式。在2010年11月，彭罗斯和瓦赫·古尔扎江宣布他们在威尔金森微波各向异性探测器与毫米波段气球观天计划测得的数据发现了此种圆形模式，但他们的结果仍正在处于争论当中。
主要的几种可能解答
信息永久丧失
信息随黑洞蒸发逐渐释出
- 优点：直观上吸引人的，因为它性质上类似于经典燃烧过程中的信息恢复。
- 缺点：与经典和半经典重力理论（不允许信息从黑洞内部漏出）有着较大的差异，即便在巨观黑洞的情形之下。
信息在黑洞蒸发殆尽时瞬间释出
信息被储存在普朗克尺度残余
- 优点：不需要任何的信息释出机制。
- 缺点：为了容纳从任何已蒸发黑洞而来的信息，此类残余需要无限数目的内部态。有人认为，这将有可能产生无限对的该种残余的量，因为它们从低能有效理论的角度来看很小，而且具备不可区别性。
信息被储存在从本宇宙分离的子宇宙
- 优点：此为爱因斯坦-嘉当理论所预测的情形，该理论将广义相对论扩展至具有内生角动量的物质，而且没有违反已知的任何物理定律。
- 缺点：爱因斯坦-嘉当理论难以被测试，因为该理论的预测与广义相对论所预测的相异处仅存在于极高密度时。 [2]
信息被储存在未来与过去之间的关联
- 优点：半经典重力即已足够。也就是说，这不需要用到尚未被研究透彻的量子引力细节部分。
- 缺点：违背人们的直观认知，亦即自然是随着时间演变的实体。
信息守恒对应着量子粒子的根基——幺正性
决定论——拉普拉斯妖：我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置，假如他也能够对这些数据进行分析，那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在他面前。
物理四神兽——拉普拉斯的妖 - 知乎 (zhihu.com)
拉普拉斯妖（法国数学家拉普拉斯提出的一种假想生物）_百度百科 (baidu.com)
拉普拉斯妖（Démon de Laplace）是由法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯于1814年提出的一种假想生物。此“恶魔”知道宇宙中每个原子确切的位置和动量，能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程，过去以及未来。
拉普拉斯坚信决定论，他在他的概述论（Essai philosophique sur les probabilités）导论部分写道：
“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置，假如他也能够对这些数据进行分析，那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在他面前。”
拉普拉斯这里所说的“智者”即后人所谓的拉普拉斯妖。
在含时薛定谔方程中，对于一个量子态的过去和将来是一件很确定的事
薛定谔方程（Schrödinger equation），又称薛定谔波动方程（Schrodinger wave equation），是由奥地利物理学家薛定谔提出的量子力学中的一个基本方程，也是量子力学的一个基本假定。
它是将物质波的概念和波动方程相结合建立的二阶偏微分方程，可描述微观粒子的运动，每个微观系统都有一个相应的薛定谔方程式，通过解方程可得到波函数的具体形式以及对应的能量，从而了解微观系统的性质。薛定谔方程表明量子力学中，粒子以概率的方式出现，具有不确定性，宏观尺度下失效可忽略不计。
在量子物理中，量子态描述了一个孤立系统的状态，包含了系统所有的信息。如根据玻恩的波函数统计解释，只要知道了系统量子态的信息，就能给出对系统进行测量的结果。量子态包括纯态和混态。
马克斯·玻恩（Max Born，1882年12月11日—1970年1月5日），男，是德国犹太裔理论物理学家、量子力学奠基人之一，因对量子力学的基础性研究尤其是对波函数的统计学诠释而获得1954年的诺贝尔物理学奖。
马克斯·玻恩1901年起在布雷斯劳、海德堡、苏黎世和哥廷根等各所大学学习，先是法律和伦理学，后是数学、物理和天文学。1907年获得博士学位。1912年与西尔多·冯·卡门合作发表了《关于空间点阵的振动》的著名论文，从此开始了他以后几十年创立点阵理论的事业。1921年成为哥廷根大学物理系主任。 [1] 1936年任爱丁堡大学教授，1937年当选为英国伦敦皇家学会会员。玻恩还是《哥廷根宣言》的签署人。
波函数是量子力学中描写微观系统状态的函数。在经典力学中，用质点的位置和动量（或速度）来描写宏观质点的状态，这是质点状态的经典描述方式，它突出了质点的粒子性。由于微观粒子具有波粒二象性，粒子的位置和动量不能同时有确定值（见测不准关系），因而质点状态的经典描述方式不适用于对微观粒子状态的描述，物质波于宏观尺度下表现为对几率波函数的期望值，不确定性失效可忽略不计。
刘维尔定理 (哈密顿力学) - 万维百科 (wanweibaike.net)
2004年7月21日，在爱尔兰都柏林举行的“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实际上可能会在某个时候释放出来：信息守恒。
黑洞内涵
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。目前，这一牵扯到量子论基础的敏感问题还远未解决。
黑洞不仅仅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。
黑洞理论研究
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，现在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。
2013年5月14日，美国引力基金会宣布，中国科学院武汉物理与数学研究所张保成副研究员、蔡庆宇研究员、詹明生研究员和清华大学尤力教授合作完成的题为“信息守恒是基本定律：揭示霍金辐射中丢失的信息”的论文荣获本年度引力论文比赛第一名。
本篇获奖文章首先从量子信息的角度阐述了信息守恒是自然界的必然要求。随后，结合作者之前的工作，即在隧穿辐射的物理图像下，证明了黑洞辐射之间存在携带信息的关联以及整个辐射过程中熵守恒，文章指出信息守恒仍然是自然界的基本定律，即使黑洞这样的强引力体系也莫能例外。在文中，结合他们最近的理论研究结果，作者还分析了如何进一步在实验中检验黑洞信息丢失问题，并且指出一旦LHC实验中观测到高能粒子碰撞产生的小黑洞，并且辐射粒子能量的协方差和理论计算结果一致，则可以在实验上进一步确认黑洞信息守恒。在理论上证明黑洞信息守恒，这不仅进一步展示了量子力学的普适性，而且对构建量子力学与引力的统一理论具有重要的启示作用。 [1]
如何将量子力学与广义相对论统一
弦理论（理论物理的一个分支学科）_百度百科 (baidu.com)
弦理论，是理论物理的一个分支学科，弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦）。弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子，能量与物质是可以转化的，故弦理论并非证明物质不存在。弦论中的弦尺度非常小，操控它们性质的基本原理预言，存在着几种尺度较大的薄膜状物体，后者被简称为“膜”。直观的说，我们所处的宇宙空间可能是9+1维时空中的D3膜。弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。
弦理论是一门理论物理学上的学说。理论里的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”，大至星际银河，小至电子，质子，夸克一类的基本粒子都是由这占有二维时空的“能量线”所组成。中文的翻译上，一般是译作“弦”。超弦理论可以解决和黑洞相关的问题。
在弦理论中，基本对象不是占据空间单独一点的基本粒子，而是一维的弦。这些弦可以有端点，或者他们可以自己连接成一个闭合圈环。正如小提琴上的弦，弦理论中支持一定的振荡模式，或者共振频率，其波长准确地配合。
圈量子引力的主要物理设想都以广义相对论和量子力学为基础， 而不附加任何额外的结构。作为一个数学上严格的不依赖于背景的理论框架， 它成功地贯彻了广义相对论的本质思想， 导出了时空的不连续性， 与物质场的藕合给出了不发散的结果， 并且提供了研究量子黑洞物理和量子宇宙学的严格的理论框架。由于所触及问题的根本性和复杂性，这一领域的研究依然有待取得更大的进展。研究的核心是该理论的低能近似和量子动力学问题。