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黑洞中心存在奇點(diǎn),這幾乎是物理學(xué)界數(shù)十年來的默認(rèn)共識。
這不是一個小修補(bǔ),而是對黑洞物理學(xué)一個核心假設(shè)的正面挑戰(zhàn)。
要理解這項(xiàng)研究的意義,先得搞清楚奇點(diǎn)到底是個什么東西,以及為什么它讓物理學(xué)家這么不舒服。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論,當(dāng)足夠多的質(zhì)量被壓縮到足夠小的空間里,時空曲率會趨向無窮大,密度也會趨向無窮大,這就是曲率奇點(diǎn)。在這個點(diǎn)上,所有已知的物理定律都失效了,方程給出的答案是無窮大,而無窮大在物理學(xué)里通常意味著理論本身出了問題。
柯西視界是另一種麻煩。它是一個邊界,一旦越過,未來就變得無法預(yù)測,物理學(xué)賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的因果律在這里瓦解。
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引力坍縮終點(diǎn)的幾種可能情景。(a) 有限時間內(nèi)形成極端殘余物;(b) 漸近形成極端黑洞;(c) 有限時間內(nèi)完全蒸發(fā);(d) 無限時間內(nèi)完全蒸發(fā);(e) 形成無視界殘余物。在這五種情景中,前兩種會導(dǎo)致柯西視界的形成,從而導(dǎo)致可預(yù)測性喪失,而其他情況則會導(dǎo)致沒有柯西視界的規(guī)則時空。
彭羅斯奇點(diǎn)定理在20世紀(jì)60年代從數(shù)學(xué)上證明,只要引力始終表現(xiàn)為吸引力,黑洞內(nèi)部就必然存在某種形式的時空不完備性,要么是奇點(diǎn),要么是柯西視界。這個定理讓奇點(diǎn)從一個猜測變成了一個數(shù)學(xué)結(jié)論,幾十年來幾乎沒有人認(rèn)真挑戰(zhàn)它。
法蘭克福理論物理研究所的弗朗切斯科·迪·菲利波找到了一個突破口。
他在研究帶電球?qū)ΨQ黑洞的彭羅斯圖時,注意到一個關(guān)于蒸發(fā)黑洞中奇點(diǎn)形成的標(biāo)準(zhǔn)論證存在漏洞。這個論證的核心是,霍金輻射雖然會讓黑洞緩慢損失質(zhì)量,但這種效應(yīng)太微弱,不足以推翻奇點(diǎn)定理的結(jié)論。
迪·菲利波的發(fā)現(xiàn)是:當(dāng)霍金輻射與帶電黑洞中的電磁斥力結(jié)合在一起時,兩者疊加產(chǎn)生的效應(yīng)遠(yuǎn)比各自單獨(dú)作用時強(qiáng)大得多,足以阻止奇點(diǎn)和柯西視界的形成。
霍金輻射是1974年斯蒂芬·霍金提出的理論預(yù)言。在量子力學(xué)的框架下,黑洞的事件視界附近會持續(xù)產(chǎn)生粒子對,其中一個粒子逃逸到外部,另一個被黑洞吞噬,結(jié)果是黑洞緩慢地?fù)p失質(zhì)量和能量,最終完全蒸發(fā)。
這個過程極其緩慢,對于恒星質(zhì)量級別的黑洞來說,蒸發(fā)時間遠(yuǎn)超宇宙目前的年齡。正因如此,物理學(xué)界長期認(rèn)為霍金輻射對黑洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計(jì),它的存在不足以改變奇點(diǎn)定理的結(jié)論。
帶電黑洞是廣義相對論中一類特殊的解,被稱為賴斯納-諾德斯特倫黑洞。帶電量會在黑洞內(nèi)部產(chǎn)生電磁斥力,與引力的吸引作用相抗衡。這種斥力在理論上能夠改變黑洞內(nèi)部的時空結(jié)構(gòu),但單獨(dú)作用時同樣不足以完全阻止奇點(diǎn)的形成。
迪·菲利波的核心論點(diǎn)是:這兩種效應(yīng)單獨(dú)都不夠,但組合在一起就夠了。
"電磁斥力和霍金蒸發(fā)單獨(dú)都無法阻止可預(yù)測性的喪失,但它們結(jié)合起來卻可以,"他在接受Phys.org采訪時解釋道。一旦他意識到原來的標(biāo)準(zhǔn)論證存在漏洞,彭羅斯圖本身就以相當(dāng)自然的方式引導(dǎo)出了后續(xù)的分析框架。
這項(xiàng)研究的一個更深層的含義,在于它降低了解決黑洞奇點(diǎn)問題所需要的理論門檻。長期以來,物理學(xué)界普遍認(rèn)為,要真正理解奇點(diǎn),必須等待一套完整的量子引力理論,也就是能夠統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)的終極理論。
迪·菲利波的工作表明,也許不需要走得那么遠(yuǎn)。在現(xiàn)有的半經(jīng)典框架內(nèi),也就是物質(zhì)以量子力學(xué)方式處理、時空保持經(jīng)典的框架內(nèi),問題或許已經(jīng)有了解決的可能。
"這意味著解決黑洞內(nèi)部的病理問題可能不需要完整的量子引力理論,"他說,隨即補(bǔ)充了一句重要的限定:"我必須強(qiáng)調(diào),我們?nèi)蕴幱诜浅T缙诘碾A段,這一切都只是推測。"
這種謹(jǐn)慎是必要的。這項(xiàng)研究是純理論性質(zhì)的,目前沒有任何觀測手段能夠直接探測黑洞內(nèi)部發(fā)生的事情。研究者本人也坦承,需要大量后續(xù)工作才能評估這條路徑是否真正可行。
這個方向的技術(shù)難度更高,但也更接近真實(shí)宇宙中黑洞的狀態(tài)。如果旋轉(zhuǎn)黑洞中同樣的機(jī)制成立,那么"黑洞必有奇點(diǎn)"這一結(jié)論的適用范圍就會被大幅收窄。
物理學(xué)里有些問題,越看越覺得我們懂得比以為的少。這或許正是其中之一。
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