关于通信方面的猜想

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

一． 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。

二．黑洞简介

2.1 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。

V

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

2GM

C

2

M

R

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

界称为黑洞表或者事件视界。从广义相对论力场方程的特解可以得出这种完整时

空结构的特殊区域，落入该区域的任何物质都将被之吞噬，这种特殊的时空区域

即称为“黑洞”。黑洞是一个质量相当大、密度相当高的天体，它是在核能耗完

后而发生引力的塌缩形成的。根据牛顿力学理论甚至光也无法逃逸出此区域，故

名把这个天体称为黑洞。

2.2 黑洞的形成

要了解黑洞是如何形成的，我们先对恒星生命过程作以简单了解：

众所周知：通常的恒星是靠万有引力的吸引效应将物质聚集在一起的。同时

恒星内部的热核反应所产生的大量热能造成粒子的剧烈运动而形成排斥效应，当

这两种效应达到稳定平衡时候，恒星将会塌缩。但是，由于热核反映能量逐渐消

耗，以至耗尽，恒星就会冷却下来，万有引力的作用大于排斥效应的作用使恒星

发生塌缩。原子的壳层将被压碎形成原子核在电子海洋中的漂浮状态。这时电子

之间的斥力与恒星自身引力相比处于劣势地位，恒星将发生塌缩，体积减少，导

致塌缩的密度是非常大的。

2.2.1 白矮星的形成

由于恒星热反应停止以后，辐射压力减少，使恒星发生收缩，在收缩过程中，

核内高温使物质发生电离。星体内部充满电子，由于电子服从泡利不相容原理，

物质粒子靠的十分接近时候不能具有完全相同的状态，即两个相同的自旋为1/2

的粒子不可能同时具有相同的位置与速度，这将导致粒子在吸引、接近的过程中

产生很强的斥力平衡，按照相对论理论，粒子之间的相对速度不能超过光速。由

泡利不相容原理产生的斥力就有上限。经过计算这种斥力上限为1.4个太阳质量，

称为钱德拉卡极限。当恒星质量小于1.4倍的太阳质量时，电子简并压可以完全

抗衡引力，阻止恒星进一步塌缩，从而形成白矮星。

2.2.2 中子星的形成

FG

引

Mm

R

2

公式可知，一颗恒星的质量越大，引力就越强。根据万有引力公式

对于质量不太大的恒星而言，塌缩的速度还不算快，若恒星质量大于1.4个太阳

质量，则电子之间的简并压就不能抗拒引力塌缩，导致星体密度继续增加，当温

度足够高时候，高能光子把原子核分裂成质子和中子，质子又与电子结合成中微

子，使得星体内部存在大量中子。中子也服从泡利不相容原理，出现附加压强，

称为中子简并压。经过计算这种斥力上限为2-3个太阳质量，称为奥本海默极限。

当恒星的质量大于钱德拉卡极限而小于奥本海默极限时，形成中子星。

2.2.3 黑洞的形成

如果恒星的质量超过奥本海默极限，则没有任何力量能够抵制住强大的引力，

星体将塌缩到自身的引力半径之内，从而形成黑洞。

从超新星爆发的角度来看，星体塌缩是一种非常猛烈的过程，爆炸崩掉恒星

的外壳，同时产生指向星体中心的巨大压力，使星体的中心部分形成黑洞。

除恒星塌缩以外，形成黑洞还有其他途径。例如，在星系的中心聚集着亿万

颗太阳和别的物质，在演化过程中很可能发生物质收缩和恒星之间的碰撞，从而

形成巨大质量的星级黑洞。

2.3 黑洞的一些特点

2.3.1 黑洞的力学特征

黑洞的定义应该是这样的：它是一个时空区域，其中引力场是十分强大的，

以至于任何物质都不能逃逸出去，它具有非常高的物质密度，它的体积有施瓦西

半径来确定。

由于黑洞中心是一个奇点，其密度远比其他物体的密度大得多，几乎无法用

数字描述，它的视界就是施瓦西半径所确定的界面。

黑洞也能产生潮汐引力，其大小决定于黑洞物质的密度，密度越低黑洞外部

时空弯曲越小。

黑洞另一个特征，是在它的视界面上引力为零。用经典观点来说，就是在视

界上，离心力与引力抵消。

2.3.2黑洞对时间的空间的影响

依照爱因斯坦的相对论，重力会使时间慢下来。因此不难想象：当我们接近黑洞

的时候，由于受到极强的重力效应，时间会慢下来，甚至有可能在我们接近到黑

洞的某个范围内，当经过一秒钟时，外界已过百年。

若是把时钟放在重力微弱的地方（例如地球）是很难测出重力对时间的影响

的。但若是把时钟放在重力强大，如黑洞那里，则可能见到重力对时间的影响，

至于影响之大小则又依观察者位置的不同而不同。对于掉入黑洞的人来说，重力

增大会使他对事物的认识加快，他会觉得他被黑洞吸了进去，一下子就到了“底”。

但对于位于远方的不受黑洞影响的观察着而言，他看到的情况恰恰与此相反。在

他眼中，那位不幸掉入黑洞的人的行动似乎动得很慢，而且好像越接近黑洞，就

移动的越缓慢。原因是，根据相对论的预测，黑洞强大的重力会使时间延缓下来，

所以那个黑洞边的人似乎永远都还没掉落到底。在最底下的地方，所有的质量和

能量都被减缩为极小的点，空间消失，时间也停止了。黑洞内应用外界的一切物

理定律都宣告无效。

由于引力的存在，时空不再是我们多少年以来的那种概念——空间笛卡尔坐

标描述，空间变的弯曲了，时间也不再是绝对的了，而是变得有弹性，甚至一定

情况发生冻结。特别是在高密度集中的区域，空间弯曲更为明显。科学家发现，

一个遥远的星体发出光线，在通过很长的距离传到我们的地球时，我们同时可以

看到几个像，这就是因为光线在传播的过程中，受到沿途其他星体（质量）引力

作用，使光线产生了偏折的原因。

土

图1 太阳引力使恒星传到地球的光线发生偏折

2.4 黑洞的种类和性质

黑洞虽然神秘，但是黑洞结构、种类、性质并不是过于复杂。因为无论什么

形态的物质一旦进入黑洞视界将转化为黑洞的质能，而最终研究黑洞，仅仅需要

质量、角动量、电荷量。因此黑洞对前身物质的形成或者成分没有记忆作用。

2.4.1 黑洞的种类

按照习惯的分法，可以将黑洞分为“施瓦西”黑洞、“莱斯纳”黑洞、“克尔”

黑洞。

“施瓦西”黑洞是质量呈对称分布的强引力场，但不旋转、无角动量、不带

电荷。视界半径与区域内质量的关系为：。

r

2GM

2

C

“莱斯纳”黑洞也是质量呈对称分布的强引力场，引力源静止，有质量M，

也有电荷Q，其引力半径为：。

rGMGMGQ

k

1



2222

2



c

“克尔”黑洞描述的是质量呈轴对称分布的强引力场，它旋转、具有角动量，

但没有电荷。“克尔”黑洞的大小与形状依赖旋转速度，其视界半径为：

rGMGML

k

1



222

，其中L为单位质量的角动量。

2



C

2.4.2 黑洞的性质

1. 奇性定理

克尔西黑洞和克尔－纽曼黑洞都是严格对称的，但是在实际当中我们研究的

星体几乎都不是严格对称的，这一事实导致了爱因斯坦引力方程无法求解。在上

世纪60年代，牛津大学教授彭罗斯和剑桥大学教授霍金用整体微分几何得出了

几个奇性定理，说明偏离球对称的，质量超过中子星上限的星体塌缩最终结果必

然出现奇点。由宇宙监督假设理论，在自然界不存在没有视界的裸露奇点，有奇

点必然有视界，就存在黑洞，则质量超过中子星上限的任何星体（不论是否严格

对称），其最后归宿都成为黑洞。

奇性定理证明了：真实的时间一定有开始，或者一定有结束，或者既有开始

又有结束。

2. 黑洞无毛定理

按照黑洞的研究理论，黑洞是一个单项膜。无论什么样的物质只能进入而不

能出去。塌缩的结果都是一样。原子内的电子被质子俘获变成了相同的中子。所

有进入视界的物质只能改变黑洞的质量。最终的黑洞只需要质量、角动量、电荷

这三个参量完全确定其时空结构。这一结论称为黑洞“无毛定理”。它是由惠勒

最先提出，经霍金等人证明。其定理的意义告诉人们，黑洞与引力塌缩前的物质

种类无关，也与物体的形状无关。引力塌缩丢失了几乎全部信息。任何有关黑洞

形成之前的大量复杂信息都不可能在黑洞形成之后知道，我们能够得到的只是最

终黑洞的质量、旋转速度、电荷量。

3. 黑洞面积不减定理

黑洞的边界称为“视界”，它是恰不能从黑洞逃逸的光线在时间－空间的轨

迹形成的。由施瓦西黑洞视界半径：其视界面积为

r2m

g

2

2Gm

，

2

c

16Gm



22

A4r16m



g

，

即面积与其质量平方成正比。在经典黑洞理论范

4

c

2

围内，任何物质（包括光子）都不能逃离黑洞，黑洞的质量增大，其面积不会减

少，显然这符合视界面积不减定理。

4. 黑洞的霍金辐射

我们都知道真空是量子场系统的能量最低状态。由于真空涨落，真空中不断

有各种各样虚的正负粒子对产生，但是不允许有实的负能态存在，正负离子对产

生后很快消失，都不能直接观测。但是，由于黑洞的单向膜不同于一般真空，在

那里允许存在对于无穷远处观测者的负能态。然而，在视界外部紧靠视界的地方，

如果产生涨落，就有可能通过量子力学中的隧道效应穿过边界进入洞内，而正粒

子跑到无穷远处，负粒子进入黑洞，顺时针运动落向奇点。于是粒子从黑洞逃逸

出来，这就是著名的霍金辐射。

2.5 黑洞的消亡

黑洞曾被认为是宇宙最终的沉淀所：没有什么可以逃出黑洞，它们吞噬了气

体和星体，质量增大，因而洞的体积只会增大。

黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家史蒂芬.

霍金做此预言时，整个科学界为之震动。

霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论。

他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量（当一个粒子

从黑洞逃逸而没有偿还它借来的能量，黑洞就会从它的引力场中丧失同样数量的

能量，而爱因斯坦的质能方程E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的损失）。

当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它

的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑

洞来说可以忽略不计，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。

所有的黑洞都会蒸发，只不过大的黑洞蒸发得较慢，它们的辐射非常微弱，

因此令人难以觉察。但是随着黑洞逐渐变小，这个过程会加速，以至最终失控。

黑洞萎缩时，引力也会变陡，产生更多的逃逸粒子，从黑洞中掠夺的能量和质量

也就越多。黑洞萎缩的越来越快，促使蒸发的速度变得越来越快，周围的光环变

得更亮、更热，最终黑洞就会在爆炸中毁灭。

2.6 黑洞的存在理论

“黑洞”是从预言产生的理论，如果不能证实其存在的真实性，理论就成了

“无源之水”，关于黑洞存在的理论预言建立在以下几点根据上：

（1）自然界没有任何力量可以支撑质量为太阳质量3倍以上的“冷”物质

（所谓“冷”物质是指停止核反应的物质）以常规方式存在（所谓的常规方式是

指原子、分子形式存在的方式）。

（2）许多已经观测到的热恒星的质量远远超过太阳质量3倍以上。

（3） 科学家已经根据中子星的脉冲辐射观测到了中子星，随着时间的推移，

中子星可以继续塌缩。

（4）大恒星消耗核燃料并且经历了塌缩的时间一般为几百万年，而银河系

已经有100亿的高龄，因而在银河系里产生黑洞的年龄条件是成熟的 。

基于以上几点，我们可大胆而理智的预言黑洞的存在是真实的。

2.7 黑洞的研究意义

黑洞最初作为一种纯数学理论模型，在没有任何实验依据的情况下却在理论

上发展到了几乎神乎其神的地步，这在科学史上是极为少见的。黑洞对物理学家

具有如此神奇的魅力，这不仅仅是因为与宇宙起源和未来发展有着密切的关系，

而且是因为它是关系到物理学基本理论未来发展的重要问题。

自然界从来就没有永恒的事物，黑洞也是如此。从恒星坍缩成黑洞，到最终

以大爆炸的方式消亡再产生新物质，黑洞在不断地演化着。按照黑洞理论，黑洞

消亡时产生大爆炸的剧烈程度与自然界的基本粒子数目有关。如果我们能够观测

到黑洞的爆炸，即使是间接地通过爆炸产生的高能γ射线，也将对基本粒子物理

学产生最直接的影响。

黑洞以大爆炸的方式消亡，这使人们再次联想到了宇宙的大爆炸理论。1965

年美国物理学家罗杰·彭罗斯指出：大质量恒星在自身引力下不断坍缩，最终将

会出现体积趋于零，密度无限大的状态，这种状态称为“奇点”。对于奇点所有

的物理定律已不成立。然而，奇点极有可能是创造新物质，新宇宙的起点，我们

的宇宙或许就起源于奇点。研究黑洞消亡发生爆炸时如何产生粒子与研究宇宙大

爆炸最初如何产生粒子，似乎有着异曲同工之处。这意味着研究黑洞的演化与研

究宇宙的演化存在着一种必然的联系。

三．黑洞中的通信猜想

尽管现在人类还没有真正的观测到黑洞，但是我们可以通过理论知识猜想如果人

类进入黑洞之后的情形。假设一个人不断地靠近一个黑洞，由于他身体的不同部

分承受的吸引力不同，他的身体将会被拉长，他的动作在外人看来越来越慢，而

且越靠近黑洞，他的身体会被拉的越长，动作越来越慢。当他来到奇点的时刻，

他会一下子突然消失在观测者的视线中，再也出不来了。假设这个人进入黑洞之

后还活着，他如何把他感受到的东西传达给外部的观测者？这就涉及到了在黑洞

中的通信问题！我们可以提出一些设想！

3.1 量子纠缠简述

量子纠缠（quantum entanglement），又译量子缠结，是一种量子力学现象，

其定义上描述复合系统（具有两个以上的成员系统）之一类特殊的量子态，此量

子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积。

量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，虽然

粒子在空间上可能分开。

纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠，即使

相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作（例

如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化 。

尼尔斯·玻尔将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用”（spooky action at a

distance）。但这并不仅仅是个诡异的预测，而是已经在实验中获得的现象，科学

家希望能够建造量子计算机，利用粒子纠缠进行超高速计算。

传统认为光速最快，但2015-03-06新闻稿“中科大实现量子瞬间传输技术

重大突破”报道：中国科技大学潘建伟教授主持的量子隐形传态研究项目组2013

年测出，量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。在量子纠缠的帮助下，

带传输量子携带的量子信息可以被瞬间传递并被复制，因此就相当于科幻小说中

描写的“超时空传输”，量子在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，

又在另一个地方神秘地出现。

3.2 黑洞中的通信

经过科学家的探索，已经证明了具有量子纠缠特性的粒子的存在性，并且可

以通过实验获得这样的粒子。受量子纠缠的启示，我们将来可以把具有纠缠特性

的一对粒子一个放进黑洞，另一个在黑洞外由人类控制、观察。在黑洞内的粒子

发生的一系列变化必然导致黑洞外的粒子的变化，我们可以观察此粒子的变化从

而了解黑洞内的具体情形，也可以达到通信的目的。

当然，这只是一种猜想，现阶段及未来很长一段时间也许都不可能实现这样

的猜想。但是，在人类历史中，很多被视为天方夜谭的想法最终都被实现了，我

们应该朝着这个目标不断努力！

四．论文总结与课程体会

“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。近几十年，经过科学家的不断探索，人

类已对黑洞的形成、演变和消亡有了科学的认识，从最开始的数学模型到最终相

信黑洞的存在，再到对黑洞的特点和性质有了更加深刻的理解。研究黑洞的演化

与研究宇宙的演化存在着一种必然的联系，这对人类探索宇宙的起源很有帮助。

在上移动通信中的关键技术这门课之前，我本以为老师会讲很多关于通信的

专业知识，但在第一节课老师说这么课的目的是培养我们的科学素养。学期内讲

了很多别的知识，像相对论、黑洞、博弈论及混沌算法等等，开阔了我们的视野，

强化了本专业与其他学科相联系的能力，启发学生的创新思维。上课时老师会提

问各种各样的问题，我们脑洞大开，自由回答，我们给出的回答不管对错，老师

都会与我们交流探讨，直到我们自己意识到自己的答案是错误的。老师还给了我

们提问的时间，有什么问题可以自由提问。我很喜欢这种上课方式，这门课让我

学到了很多东西，不仅仅是专业知识，更提高了自己的科学素养。