现代科学向世界介绍了许多奇怪的想法，但最奇怪的想法之一肯定是巨大恒星走到生命尽头的命运。这颗恒星耗尽了维持它数百万年的燃料，不再能够承受自身的重量，并开始灾难性地坍缩。像太阳这样的普通恒星也会坍缩，但它们会稳定在较小的尺寸。然而，如果一颗恒星足够巨大，它的引力将压倒所有可能阻止坍缩的力量。从数百万公里的尺寸，恒星会坍缩成比“i”上的点还小的针尖。
大多数物理学家和天文学家认为，结果是一个黑洞，一个引力极强的天体，任何东西都无法从其附近逃脱。黑洞有两个部分。它的核心是一个奇点，所有恒星物质都被压碎成无限小的点。围绕奇点的是空间区域，从中无法逃脱，其周边称为事件视界。一旦某物进入事件视界，它就失去了所有逃脱的希望。坠落的物体发出的任何光也被困住，因此外部观察者永远不会再看到它。它最终会撞向奇点。
但这幅图景真的真实吗？已知的物理定律清楚地表明奇点会形成，但它们对事件视界却含糊不清。大多数物理学家都在假设事件视界必然会形成的情况下运作，仅仅是因为事件视界作为科学的遮羞布非常吸引人。物理学家尚未弄清楚奇点处究竟发生了什么：物质被压碎，但之后会变成什么？事件视界通过隐藏奇点，隔离了我们知识中的这个空白。科学未知的各种过程可能发生在奇点处，但它们对外部世界没有影响。绘制行星和恒星轨道的天文学家可以安全地忽略奇点引入的不确定性，并充满信心地应用标准的物理定律。无论黑洞中发生什么，都留在黑洞中。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
然而，越来越多的研究对这一工作假设提出了质疑。研究人员发现了各种各样的恒星坍缩情景，其中事件视界实际上并没有形成，因此奇点仍然暴露在我们的视野中。物理学家称之为裸奇点。物质和辐射都可以落入和逸出。进入黑洞内部的奇点将是单程旅行，而原则上你可以尽可能接近裸奇点，然后返回讲述故事。
如果裸奇点存在，其影响将是巨大的，并将触及天体物理学和基础物理学的几乎每个方面。缺乏视界可能意味着发生在奇点附近的神秘过程将影响外部世界。裸奇点可能解释天文学家已经看到的无法解释的高能现象，它们可能提供一个实验室来探索时空结构的最精细尺度。
事件视界本应是黑洞的简单部分。奇点显然是神秘的。它们是引力强度变得无限大，已知物理定律失效的地方。根据物理学家目前对引力的理解，概括在爱因斯坦的广义相对论中，奇点不可避免地会在巨星坍缩期间出现。广义相对论没有考虑到对微观物体变得重要的量子效应，这些效应大概会介入以防止引力强度变得真正无限大。但物理学家仍在努力发展他们需要的量子引力理论来解释奇点。
相比之下，奇点周围的时空区域发生的事情似乎应该相当简单明了。恒星事件视界的尺寸为数公里，远大于量子效应的典型尺度。假设没有新的自然力介入，视界应该完全由广义相对论支配，该理论基于充分理解的原理，并通过了90年的观测测试。
也就是说，将该理论应用于恒星坍缩仍然是一项艰巨的任务。爱因斯坦的引力方程众所周知地复杂，求解它们需要物理学家做出简化的假设。美国物理学家 J. Robert Oppenheimer 和 Hartland S. Snyder 以及印度物理学家 B. Datt 在 1930 年代后期独立进行了初步尝试。为了简化方程，他们只考虑了完美的球形恒星，假设恒星由密度均匀（均匀）的气体组成，并忽略了气体压力。他们发现，随着这种理想化的恒星坍缩，其表面的引力增强，最终变得足够强大，足以捕获所有光和物质，从而形成事件视界。恒星对外面的观察者变得不可见，并在不久之后完全坍缩成一个奇点。
当然，真实的恒星更为复杂。它们的密度是不均匀的，其中的气体施加压力，并且它们可以呈现其他形状。是否每个足够巨大的坍缩恒星都会变成黑洞？1969 年，牛津大学物理学家罗杰·彭罗斯提出答案是肯定的。他推测，恒星坍缩期间奇点的形成必然伴随着事件视界的形成。因此，自然界禁止我们永远看到奇点，因为视界总是会遮蔽它。彭罗斯的猜想被称为宇宙审查假说。这只是一个猜想，但它支撑着现代黑洞研究。物理学家希望我们能够用我们用来证明奇点必然性的相同的数学严谨性来证明它。
但这并没有发生。我们没有提出适用于所有条件的直接审查证明，而是不得不踏上更长的路线，逐个分析引力坍缩的案例研究，逐步用最初的努力所缺乏的特征来修饰我们的理论模型。1973 年，德国物理学家汉斯·于尔根·塞弗特和他的同事考虑了不均匀性。有趣的是，他们发现下落物质的层可以相交，从而产生没有被视界覆盖的瞬时奇点。但是奇点有多种类型，而这些奇点相当良性。虽然一个位置的密度变得无限大，但引力强度并没有，因此奇点没有将物质和坠落物体压碎成无限小的针尖。因此，广义相对论从未失效，物质继续穿过这个位置，而不是走向终结。
1979 年，加州大学圣巴巴拉分校的道格拉斯·M·厄德利和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的拉里·斯马尔更进一步，对具有真实密度分布的恒星进行了数值模拟：中心密度最高，并向表面缓慢降低。苏黎世瑞士联邦理工学院的德米特里奥斯·克里斯托多卢随后在 1984 年对相同情况进行了精确的纸笔处理。两项研究都发现，恒星缩小到零尺寸，并产生了一个裸奇点。但该模型仍然忽略了压力，当时在英国约克大学的理查德·P.A.C.·纽曼表明，该奇点再次在引力上较弱。
受这些发现的启发，包括我在内的许多研究人员试图制定一个严格的定理，即裸奇点总是会很弱。我们没有成功。原因很快变得清楚：裸奇点并不总是弱的。我们发现了导致奇点的非均匀坍缩情景，在这些情景中，引力很强——也就是说，真正的奇点可以将物质碾压成虚无，但仍然对外部观察者可见。1993 年，当时在阿格拉大学的 Indresh Dwivedi 和我开发的对没有气体压力的恒星坍缩的一般分析，澄清并解决了这些要点。
在 1990 年代初期，物理学家考虑了气体压力的影响。以色列理工学院的阿莫斯·奥里和耶路撒冷希伯来大学的茨维·皮兰进行了数值模拟，我的团队精确地解出了相关方程。密度和压力之间存在完全真实关系的恒星可能会坍缩成裸奇点。大约在同一时间，由米兰理工大学的朱利奥·马格里和大阪市立大学的仲尾健一领导的团队考虑了一种由坍缩恒星内粒子的旋转产生的压力形式。他们也表明，在各种各样的情况下，坍缩最终还是会变成裸奇点。
这些研究分析了完美的球形恒星，这并不像看起来那么严重的限制，因为自然界中的大多数恒星都非常接近这种形状。此外，与其他形状的恒星相比，球形恒星在视界形成方面具有更有利的条件，因此如果宇宙审查即使对它们也失败了，其前景看起来也令人怀疑。也就是说，物理学家一直在探索非球形坍缩。1991 年，伊利诺伊大学的斯图尔特·L·夏皮罗和康奈尔大学的索尔·A·托科尔斯基提出了数值模拟，其中椭圆形恒星可能会坍缩成裸奇点。几年后，波兰科学院的安杰伊·克拉拉克和我研究了非球形坍缩，也发现了裸奇点。可以肯定的是，这两项研究都忽略了气体压力。
怀疑论者想知道这些情况是否是人为捏造的。对恒星的初始配置稍作更改是否会导致事件视界突然覆盖奇点？如果是这样，那么裸奇点可能是计算中使用的近似值的人为产物，并且不会真正在自然界中出现。一些涉及不寻常物质形式的情景确实非常敏感。但我们迄今为止的结果也表明，大多数裸奇点对于初始设置的小变化是稳定的。因此，这些情况似乎是物理学家所说的通用的——也就是说，它们不是人为捏造的。
这些对彭罗斯猜想的反例表明，宇宙审查并非普遍规律。物理学家不能说，“任何巨大恒星的坍缩都只会形成黑洞”，或者“任何物理上真实的坍缩都以黑洞结束”。一些情景导致黑洞，另一些情景导致裸奇点。在一些模型中，奇点仅暂时可见，事件视界最终形成以遮蔽它。在另一些模型中，奇点永远保持可见。通常，裸奇点在坍缩的几何中心发展，但并非总是如此，即使它确实如此，它也可能扩散到其他区域。裸露也有程度之分：事件视界可能会将奇点隐藏在遥远观察者的窥探目光之外，而穿过事件视界的观察者可能会在撞击奇点之前看到奇点。结果的多样性令人眼花缭乱。
我的同事和我已经分离出这些情景的各种特征，这些特征导致事件视界出现或不出现。特别是，我们研究了不均匀性和气体压力的作用。根据爱因斯坦的理论，引力是一种复杂的现象，不仅涉及吸引力，还涉及诸如剪切之类的效应，在剪切中，不同层级的物质在横向相反的方向上移动。如果坍缩恒星的密度非常高——高到按理说应该捕获光线，但也是不均匀的，那么其他效应可能会创造逃逸路线。例如，靠近奇点的物质剪切可能会引发强大的冲击波，从而喷射出物质和光线——本质上是一场引力台风，扰乱了事件视界的形成。
具体来说，考虑一颗均匀的恒星，忽略气体压力。（压力会改变细节，但不会改变发生情况的总体轮廓。）随着恒星坍缩，引力强度增加，并更加严重地弯曲运动物体的路径。光线也会被弯曲，并且在某个时候，弯曲变得如此严重，以至于光线不再能够从恒星传播出去。光线被捕获的区域开始时很小，然后增大，最终达到与恒星质量成比例的稳定尺寸。与此同时，由于恒星的密度在空间中是均匀的，并且仅随时间变化，因此整个恒星同时被压碎成一个点。光线的捕获发生在远早于这一时刻，因此奇点仍然被隐藏。
现在考虑相同的情况，只不过密度随着与中心距离的增加而降低。实际上，恒星具有物质同心壳的洋葱状结构。作用在每个壳上的引力强度取决于该壳内部物质的平均密度。由于密度较高的内壳感受到更强的引力拉力，因此它们比外壳坍缩得更快。整个恒星不会同时坍缩成奇点。最内层的壳首先坍缩，然后外壳逐个堆积起来。
由此产生的延迟可能会推迟事件视界的形成。如果视界可以在任何地方形成，它将在密度较高的内壳中形成。但是，如果密度随距离降低得太快，这些壳可能无法构成足够的质量来捕获光线。奇点在形成时将是裸露的。因此，存在一个阈值：如果不均匀性的程度非常小，低于临界极限，则会形成黑洞；如果具有足够的不均匀性，则会产生裸奇点。
在其他情景中，突出的问题是坍缩的速率。这种效应在恒星气体已完全转化为辐射的模型中非常清楚地体现出来，实际上，恒星变成了一个巨大的火球——印度物理学家 P. C. Vaidya 在 1940 年代首次在模拟辐射恒星的背景下考虑了这种情况。同样存在一个阈值：缓慢坍缩的火球变成黑洞，但如果火球坍缩得足够快，光线就不会被捕获，奇点就是裸露的。
物理学家花了这么长时间才接受裸奇点的可能性，其中一个原因是它们提出了许多概念上的难题。一个普遍引用的担忧是，这种奇点会使自然界变得本质上不可预测。由于广义相对论在奇点处失效，因此它无法预测这些奇点会做什么。匹兹堡大学的约翰·厄曼令人难忘地暗示，绿色的粘液和丢失的袜子可能会从它们中冒出来。它们是魔法之地，科学在那里失效。
只要奇点安全地隐藏在事件视界内，这种随机性就会受到控制，广义相对论至少在视界之外是一个完全可预测的理论。但是，如果奇点可以是裸露的，那么它们的不可预测性将感染宇宙的其余部分。例如，当物理学家将广义相对论应用于地球绕太阳的轨道时，他们实际上必须考虑到宇宙中某个地方的奇点可能会发出随机引力脉冲并使我们的星球飞向深空的可能性。
然而，这种担忧是错位的。不可预测性实际上在广义相对论中很常见，并且并非总是直接与违反审查制度有关。该理论允许时间旅行，这可能会产生具有不可预见结果的因果循环，甚至普通的黑洞也可能变得不可预测。例如，如果我们向不带电的黑洞中投入电荷，黑洞周围时空的形状会发生根本性的变化，并且不再可预测。当黑洞旋转时，情况也类似。具体来说，发生的情况是时空不再整齐地分隔成空间和时间，因此物理学家无法考虑黑洞如何从某个初始时间演化到未来。只有最纯粹的纯黑洞，完全没有电荷或旋转，才是完全可预测的。
不可预测性的丧失以及黑洞的其他问题实际上源于奇点的出现；它们是否被隐藏并不重要。解决这些问题的方法可能在于量子引力理论，该理论将超越广义相对论，并对奇点给出完整的解释。在该理论中，每个奇点都将被证明具有高但有限的密度。裸奇点将是“量子星”，一种受量子引力规则支配的超高密度天体。看似随机的事物将有一个合乎逻辑的解释。
另一种可能性是，奇点可能真的具有无限的密度——它们不是要用量子引力来解释掉的东西，而是要按原样接受的东西。广义相对论在这样一个位置的失效可能不是理论本身的失败，而是空间和时间有边缘的迹象。奇点标志着物理世界结束的地方。我们应该将其视为事件而不是物体，即坍缩物质到达边缘并停止存在的那一刻，就像大爆炸的反向过程。
在那种情况下，诸如裸奇点会冒出什么之类的问题实际上没有意义；没有什么可以冒出来的，因为奇点只是时间中的一瞬间。我们从远处看到的不是奇点本身，而是发生在接近此事件的极端物质条件下的过程，例如超高密度介质中不均匀性引起的冲击波或其附近的量子引力效应。
除了不可预测性之外，第二个问题困扰着许多物理学家。在暂时假设审查猜想成立的情况下，他们在过去几十年中花费了大量时间来制定黑洞应该遵守的各种定律，并且这些定律具有深刻真理的光环。但是这些定律并非没有主要的悖论。例如，它们认为黑洞吞噬并摧毁信息，这似乎与量子理论的基本原理相矛盾[参见伦纳德·苏斯金德的“黑洞和信息悖论”；《大众科学》，1997 年 4 月]。这个悖论和其他困境源于事件视界的存在。如果视界消失，这些问题可能也会消失。例如，如果恒星可以在坍缩的后期阶段辐射掉大部分质量，它将不会摧毁任何信息，也不会留下任何奇点。在那种情况下，不需要量子引力理论来解释奇点；广义相对论本身就可以做到。
物理学家们远非将裸奇点视为问题，而是可以将它们视为一种资产。如果在大质量恒星引力坍缩中形成的奇点对外部观察者可见，它们可以提供一个研究量子引力效应的实验室。正在制定的量子引力理论，例如弦理论和圈量子引力，非常需要某种观测输入，如果没有这种输入，几乎不可能限制大量的可能性。物理学家通常在早期宇宙中寻找这种输入，当时条件非常极端，量子引力效应占主导地位。但是大爆炸是一个独特的事件。如果奇点可以是裸露的，它们将使天文学家能够观察到每次宇宙中一颗大质量恒星结束其生命时都发生的大爆炸的等效事件。
为了探索裸奇点如何提供对原本无法观测到的现象的瞥见，我们最近模拟了恒星如何坍缩成裸奇点，同时考虑了圈量子引力预测的效应。根据该理论，空间由微小的原子组成，当物质变得足够稠密时，这些原子变得引人注目；结果是一种极其强大的排斥力，可以防止密度变得无限大[参见马丁·博约瓦尔德的“追随反弹宇宙”；《大众科学》，2008 年 10 月]。在我们的模型中，这种排斥力分散了恒星并消除了奇点。恒星近四分之一的质量在最后几分之一微秒内被喷射出来。就在它这样做之前，遥远的观察者会看到来自坍缩恒星的辐射强度突然下降——这是量子引力效应的直接结果。
爆炸会释放出高能伽马射线、宇宙射线和其他粒子，例如中微子。即将进行的实验，例如极端宇宙空间天文台（国际空间站的一个模块，预计于 2013 年投入运行），可能具有看到这种发射所需的灵敏度。由于喷发的细节取决于量子引力理论的具体情况，因此观测将提供一种区分理论的方法。
证明或证伪宇宙审查都将在物理学内部引发一场小小的爆炸，因为裸奇点触及了当前理论的许多深刻方面。迄今为止，从理论工作中明确得出的是，审查制度并非以无条件的形式存在，正如有时认为的那样。奇点只有在条件合适时才会被遮蔽。问题仍然是这些条件是否会在自然界中出现。如果它们可以，那么物理学家肯定会爱上他们曾经害怕的东西。
注意：本文最初以标题“裸奇点”印刷。