量子黑洞

量子引力對黑洞的第一個應用涉及史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）發現的一個奇特事實。20世紀70年代早期，他從理論上推導出黑洞是“熱的”，它們的表現像熱的物體：它們會放熱。由此它們會損失能量和質量（因為能量和質量是同樣的東西），變得越來越小。它們會“蒸發”。這種“黑洞蒸發”是霍金做出的最重要的發現。對於使黑洞變炙熱的不斷震動的原子有兩種理論解釋，第一種是圈理論（給黑洞帶來温度的振動的基本原子，是其表面單個的空間量子），第二種是量子漲落（即温度）會在黑洞的內部和外部之間產生關聯。一位年輕的意大利科學家歐金尼奧·比安奇（Eugenio Bianchi）——他在美國當教授，完成了精確的計算，展示瞭如何從霍金這些理念和圈量子引力的基本方程出發得到霍金預見的計算黑洞熱量的公式。 ^[2] 

一些21世紀物理的延伸斷定了更高維度空間的存在。在更高維度的時空，重力的強度在距離縮短時，增加的幅度會比起三維空間要高。在某些特定處理多維的理論下，這個效應會將普朗克尺度降低到TeV左右的範圍。這類物理延伸理論的範例包含了大額外維度，藍道爾–桑壯模型（Randall-Sundrum）內的特例，以及弦理論的一些處理像是GKP解法。在這些假説之下，量子黑洞的產生有可能是在大型強子對撞機內就可以觀測到的重要現象。並且也很可能會是宇宙射線就常常引發的一種自然現象。 ^[3] 

從十八世紀末，人類對黑洞存在的預言到2019年第一次人類拍到黑洞的照片，期間有許多偉大的科學家的貢獻。對黑洞的發現歷程也體現了人類科技的進步 ^[4] 

史蒂芬·霍金曾提出量子理論使黑洞發出輻射並損失質量。最終這些質量似乎完全消失，帶走了其內部存儲的信息。但上述描述與量子物理學的法則衝突，量子物理學的觀點認為，此類信息永遠不可能被徹底消除。 ^[2]  在堅持認為黑洞將破壞所有陷落其中的事物這一觀點30年之後，著名的劍橋大學物理學家史蒂芬·霍金開始認為自己的觀點是錯誤的。似乎黑洞至少允許內部的信息逃離。 ^[5] 

引力是一種吸引性的力，這意味着它傾向於使宇宙中的物質聚攏來形成諸如恆星和星系的天體。這些天體可以為此一段時間而不發生進一步的收縮--對於恆星來説是靠熱壓力，對於星系來説則是靠旋轉和內部運動來防止進一步的收縮。但是，這一熱量或角動量最終將逐漸喪失，於是天體將開始收縮.如果天體質量小於一個半太陽質量，則收縮可因電子或中子的間並壓力而停下來。此時天體將分別變成白矮星或中子星。但是，如果天體質量大於這一極限，則沒有任何力量能夠阻止它繼續收縮轄區。一旦它收縮到某一臨界尺寸以後，其表面上的引力場將變得非常強，以致於光錐向內彎曲，甚至向外的光線都最彼此相向地彎曲，這樣就成了會聚而不是發散。這意味着存在一個閉合的捕獲表面。

因此，必定存在一時空區域，從該區域不可能逸出到無窮。這一區域稱為黑洞，它邊界稱為事界，則是一個由那些剛好不能逸出到無窮的那些光線形成的零表面.當一個天體坍縮而成黑洞時，大量的信息就丟失了。描述坍縮天體的參數是非常之多的，有物質的類型和質量分佈的多極矩等。但是所形成的黑洞完全與物質的類型無關，而且很就失去了所有的多極矩，除開頭兩種多極矩以外（即單極矩與偶極矩，前者是質量，後者是角動量）。

在經典理論中這一信息喪失不是至關重要的.人們可以説，關於坍縮天體的所有信息仍然還在那黑洞內部。黑洞外面的觀察者很難確定坍縮天體是什麼樣子。但是，在經典理論中，原則上仍是能夠確定的。觀察者永遠不會真正看不見坍縮的天體。相反，坍縮天體在接近事界時將會顯得越來越慢，變得非常暗淡。但是觀察者仍然能夠看見它的構成以及質量分佈的情況。 ^[2] 

量子理論改變了人們對黑洞內信息的認識，首先，坍縮天體穿越事界前將只發射出有限數目的光子，這些光根本不足以攜帶有關坍縮天體的所有信息，這就意味着，在量子理論中，外面的觀察者沒有任何辦法可以測量坍縮天體的狀態。人們可能以為這一點無關緊要，因為信息仍將存在於黑洞的內部，即使無法從外面測量它，但是，量子力學對黑洞第二種影響在此將發揮作用。 ^[2] 

進入黑洞的東西無法再出來，至少如果忽略量子理論的話會如此。黑洞的表面就像是此刻：只能從一個方向穿過，無法從未來返回。對黑洞而言，過去在外面，未來在裏面。從外面看來，黑洞就像個球體，可以進去，但沒有東西可以從裏面出來。一艘火箭可以停留在離這個球體固定距離的地方，這個距離被稱作黑洞的“視界”。要做到這一點需要讓水箭的發動機不停地劇燒，抵消黑洞的萬有引力。黑洞的巨大引力意味着對火箭而言時間會變慢。如果火箭在離視界是夠近的地方停留一小時，然後飛走，它會發現外面在此期間已經過了幾個世紀。火箭離視界越近，時間相對於外面走得越慢。因此，旅行到過去很困難，但旅行到未來很容易：人類只需要在太空飛船上靠近黑洞，在附近停留一會兒，然後飛走。 ^[2]