本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
去年,小说家塞尔吉奥·德拉帕瓦将美国的刑事司法系统比作裸奇点的奇异物理概念。这启发我向《大众科学》关于这个概念的文章作者,孟买塔塔基础研究所的理论物理学家潘卡吉·乔希(照片右侧)询问最新情况。也请观看他在YouTube上的讲座。
想象一个没有“黑”部分的黑洞。也就是说,想象一个你可以掉进去,并且只要不撞到洞的最中心——所谓的时空奇点——并被压成虚无,就可以努力逃出来的黑洞。换句话说,想象一个没有外围边界(所谓的事件视界)但有中心奇点的黑洞。这就是物理学家和宇宙学家所说的裸奇点。
这将是一种奇怪的野兽,就像一颗小到可以握在手中的恒星——尽管你绝对不想这样做。这东西可以拥有整颗恒星(甚至更多)的质量,压缩成接近数学点的东西。靠近它,能量密度、时空曲率和所有其他物理量都会变得任意大。极端物理学将支配那里的事件。
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裸奇点真的能在自然界中形成吗,还是一颗大质量恒星的坍缩总是产生事件视界?罗杰·彭罗斯(上图照片左侧)著名地提出它们不能形成。但后来的研究表明,它们确实在物理上合理的条件下形成,正如我在几年前的《大众科学》文章中讨论的那样。这是当今现代黑洞物理学和相对论天体物理学中最受热议的前沿问题之一。
由于爱因斯坦的引力理论允许黑洞和裸奇点都存在,因此由观察者来解决这个问题。但是裸奇点如何将自己与有“衣服”的奇点区分开来呢?奇点通常有两种类型:一种像事件,另一种像物体。大爆炸是事件型奇点;黑洞就像一个物体。两种类型都可以作为引力坍缩的最终状态产生,这取决于诸如坍缩的速度快慢、物质壳层如何落入以及物质云的内部结构等变量。灾难性的坍缩,例如一颗大质量恒星在几秒钟内内爆,将产生事件型裸奇点。较慢的坍缩可能会产生物体型裸奇点。
当裸奇点是事件型时,它看起来像爆炸。随着恒星坍缩,它最终会因为量子引力效应而反弹。在这种情况下,观察者需要寻找一种无法解释的能量爆发。
当裸奇点是物体型时,它看起来很像一个没有视界“衣服”的黑洞(因此得名)。物质漩涡盘会在它周围形成,并且我和我的同事最近表明,该圆盘将比黑洞周围的同等圆盘亮得多。它也会通过光谱、附近粒子碰撞的更高效率以及弯曲光线的方式来区分自己。
那些具有冒险精神的人可能会想象登上星舰并冲入裸奇点。下降过程将与进入黑洞的旅程大不相同。对于黑洞情况,当神风宇航员接近事件视界时,他们发出的光会变得越来越暗,最终超出任何可观察的极限。在裸奇点情况下,光线可以从奇点的任意附近逃逸。宇航员将能够一路保持无线电联系,并将量子引力效应的直接图片发回地球。
如果你用相机直接对准黑洞,你只会看到墨黑一片。如果你用相机对准裸奇点,你会看到一个小的但明亮的物体,尽管它的光谱不寻常。从技术上讲,你没有看到奇点本身,而是它的直接环境。宇航员将能够说:“啊,这就是物理学的统一方式”,并将他们的成就告知家乡的朋友。他们甚至可能活着讲述这个故事。
罗杰·彭罗斯(左)和潘卡吉·乔希(右)的照片由H. Chauhan提供