文档介绍：黑洞与通信猜想
摘要
黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。本文重点讨论了黑洞的概念、形成过程、种类、性质和特点以及它的消亡,给出了黑洞存在的依据;明确了研究黑洞的重大意义;接下来用量子纠缠理论猜想了一种在黑洞里通信的方式,这仅仅是一个猜想,现阶段的技术不可能实现。最后是总结与心得体会。
关键字:宇宙大爆炸,黑洞,引力塌缩,量子纠缠,通信
宇宙大爆炸理论
我们从哪里来?宇宙是什么样的?这是自有人类以来的永恒疑问。从托勒密的地心说到哥白尼的日心说,再到十七世纪,开普勒、胡克等人继续为太阳系勾勒大概的轮廓,最终伟大的牛顿建立了完美的经典力学大厦。但是用牛顿力学解释宇宙有个致命的疑问,如果万有引力是正确的,为什么星系不会因为万有引力聚拢到一起?要解决这个问题,要从哈勃的发现说起。
光是一种电磁波,根据多普勒效应,恒星如果向地球而来,则光频上升,光长波向短波移动,称为蓝移。若恒星远离地球而去,则光频下降,光短波向长波移动,称为红移。如果宇宙是稳定的,远离我们的恒星数目和向我们而来的恒星数目应该差不多。而哈勃的观测表明,绝大多数恒星都发生红移,而且距离越远的恒星远离的速度越快。这个发现非同小可,似乎暗示地球又成了宇宙的中心了,其实不然。打个比方,就像气球上任意两个点,吹气球时,随着气球的膨胀,气球上任意两个点间的距离会迅速拉大,但气球上任意一点都不是中心。所以结论是:我们的宇宙正在膨胀。如果宇宙现在正在膨胀,那么沿时间回溯,以前宇宙肯定比现在小,则肯定有那么一个时刻,宇宙中所有东西都聚集在一起,宇宙必然有个起点!
 
根据霍金的宇宙理论,宇宙是在一次大爆炸中产生的。大爆炸开始时,宇宙体积被认为是零,所以是无限热。但是,辐射的温度随着宇宙的膨胀而降低。宇宙诞生1微秒后,随宇宙膨胀,温度下降到1万亿度,光开始转化成最基本的物质,如电子、正电子、中子、质子、中微子等。大爆炸后的1秒钟,温度降低到约为100亿度。此刻宇宙主要包含光子、电子和中微子和它们的反粒子,还有一些质子和中子。在大爆炸后的大约100秒, 温度降到了10亿度,也即最热的恒星内部的温度。在此温度下,质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引,所以开始结合产生氘(重氢)的原子核。然后,氘核和更多的质子中子相结合形成氦核,还产生了少量的两种更重的元素锂和铍。大爆炸后的几个钟头之内, 氦和其他元素的产生就停止了。之后的100万年左右,宇宙仅仅只是继续膨胀,没有发生什么事。最后,一旦温度降低到几千度,电子和核子不再有足够能量去抵抗它们之间的电磁吸引力,它们就开始结合形成原子。宇宙作为整体,继续膨胀变冷,但在一个略比平均更密集的区域,膨胀就会由于额外的引力吸引而慢下来。在一些区域膨胀会最终停止并开始坍缩。当它们坍缩时,在这些区域外的物体的引力拉力使它们开始很慢地旋转;当坍缩的区域变得更小,它会自转得更快——正如在冰上自转的滑冰者,缩回手臂时会自转得更快;最终,当这些区域变得足够小,自转的速度就足以平衡引力的吸引,碟状的旋转星系就以这种方式诞生了。另外一些区域刚好没有得到旋转,就形成了叫做椭圆星系的椭球状物体。
随着时间流逝,星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云,它们在自身引力下坍缩。当它们收缩时,其中的原子相碰撞,气体温度升高,直到最后,热得足以开始热骤变反应。这些反应将更多的氢转变成氦,释放出的热升高了压力,因此使星云不再继续收缩。它们会稳定地在这种状态下停留一段很长的时间,直至它们将氢用光;然后,它们会稍微收缩一点。当它们进一步变热,就开始将氦转变成像碳和氧这样更重的元素。一些恒星接近生命终点时产生的重元素就抛回到星系里的气体中去,为下一代恒星提供一些原料。大部分气体形成了恒星或者喷到外面去,但是少量的重元素集聚在一起,形成了像我们的地球这样的、现在绕太阳公转的物体,于是我们的地球便产生了。

黑洞的概念
“黑洞”是20世纪最具有神奇色彩的物理术语之一,形象而多少带有恐怖色彩的字眼使人联想到它犹如一头猛兽,具有强大的势力范围,只要周围物体一旦进入其势力范围之内都会被其吞噬掉。黑洞最初仅仅是一种理论推理演绎的数学模型,但是随着科学的发展,在宇宙中逐步得到了证实,人们不得不承认黑洞的存在。
经典的“黑洞”概念源于1783年,是按照牛顿力学定理推导出的一种极限模型。由牛顿理论可知:物体脱离地球地心引力作用的第二宇宙速度。由此公式可知道,当足够大时,可导致V接近光的传播速度C,任何物体都不能逃逸,连光也不可能逃逸。
20世纪的黑洞源于1915年爱因斯坦建立的广义相对论。广义相对论在研究引力对光的作用的基础上所建立的引力场方程描述了引力场的完整时空结构。在广义相对论中黑洞被定义为不能与外界宇宙空间相互交流的区域,这个区域的边界称为黑洞表