寻找裸奇点

“宇宙审查”假说认为它们不应该存在——但我们是否有可能已经探测到它们,只是误解了它们的本质?

超大质量黑洞模拟图。

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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。


黑洞隐藏在事件视界之后,就像在拉斯维加斯一样,“事件视界内发生的一切,都留在事件视界内”。没有任何信息泄露出来。

黑洞事件视界还带来了一个额外的好处,那就是隐藏了预测它的理论的尴尬之处。落入黑洞的物质最终会到达一个奇点,在那里时空曲率发散,爱因斯坦的广义相对论方程失效。幸运的是,我们无法确定落入物质的位置,因为它的密度在这个奇点附近发散,这对外部世界没有影响,外部世界仍然受到事件视界的保护。

但是,爱因斯坦的方程是否会导致“裸奇点”的出现?裸奇点没有隐藏在事件视界之后。如果这样的时空区域影响到我们,我们将无法使用广义相对论来预测我们的未来。


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为了避免这种危机,物理学家罗杰·彭罗斯在 1969 年提出了宇宙审查假说,该假说推测可能存在限制,禁止自然界中出现裸奇点。如果是这样,广义相对论通过限制其未来行为无法预测的区域的影响,从而保持确定性。

但是,真的需要宇宙审查吗?我们知道,爱因斯坦的广义相对论方程是不完整的,因为它们缺少现代物理学的一个关键要素,即量子力学。我们目前还没有完整的量子引力理论,它可能会治愈奇点,并使通常的确定性在整个时空范围内显现出来。在那个理论中,将无需通过超越基本物理原理的限制来审查任何区域。

事实上,我们已经有了一个强烈的暗示,这可能是真的。1974 年,斯蒂芬·霍金证明了黑洞会辐射。事后看来,他的结果是显而易见的。不可能将光子(光粒子)限制在小于其波长的牢房中,因为它们的位置无法被精确定位。因此,黑洞附近的真空涨落会产生光子,这些光子会泄漏出去,因为它们的波长大于视界尺度。这种所谓的“霍金辐射”是由进入黑洞内部的虚粒子的引力结合能产生的。

正在蒸发的黑洞是裸奇点,因为它们没有被其事件视界完全隐藏起来。不幸的是,对于质量大于三个太阳的天体黑洞,其事件视界大于曼哈顿的长度,其辐射太弱,无法探测到。质量相当于小行星的黑洞可能在早期宇宙中产生,其事件视界小于质子的大小,并且可能在宇宙的生命周期中已经爆炸。尽管到目前为止我们尚未探测到正在蒸发的黑洞,但简单的半经典量子引力公式预测了它们的存在。

尽管有这个众所周知的例子,数学家和哲学家仍然在争论宇宙审查是否应该限制广义相对论中“合理”时空的范围。与此同时,计算机代码被用来求解爱因斯坦方程,并在极端条件下搜索病态的裸奇点。

在哈佛大学黑洞计划最近的一次座谈会上,一位哲学家将宇宙审查定义为当前广义相对论研究中最激动人心的问题之一。当他结束讲座时,我只有一个问题:“考虑到这些数学和哲学方面的考虑,天文学家可以在天空中寻找裸奇点。如果我们找到它们,是否还需要审查?”

我们不应寻找避免裸奇点的理由,而应珍惜找到它们的机会,将其作为探索新物理学的途径。当然,这方面最重要的未知数是:“裸奇点是什么样子的?”由于它们附近时空的极端曲率,裸奇点可能会在强大的能量火球中产生高能粒子。我们是否在天空中观察到这样的火球?我们是否有可能已经探测到裸奇点,只是误解了它们的本质?

记录在案的火球系列之一是伽马射线暴。这些天体爆炸通常与黑洞的诞生或中子星的碰撞有关,但与裸奇点无关。我们还观察到快速射电暴,其性质目前尚不清楚。

我们应该睁大眼睛。如果我们的望远镜探测到裸奇点,它们将成为检验量子引力理论(例如弦理论)的最佳实验室。问题在于,候选的量子引力理论并没有预测这些源会是什么样子。它们在这个游戏中没有“发言权”。因此,观测者应该带头,包括通过对大爆炸奇点产生的引力波的挑战性探索

Avi Loeb is the head of the Galileo Project, director of the Institute for Theory and Computation at the Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, founding director of Harvard University’s Black Hole Initiative, and the former chair of the Harvard astronomy department (2011-2020). He is a former member of the President’s Council of Advisors on Science and Technology and a former chair of the Board on Physics and Astronomy of the National Academies. He has published more than a thousand peer-reviewed papers and is the bestselling author of Extraterrestrial and Interstellar and a co-author of the textbooks Life in the Cosmos and The First Galaxies in the Universe.

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