黑洞通常被描述為危險的破壞性實體，它們永遠不會放棄落入其掌握之物。但是，如果黑洞是保護性的——將我們遮蔽在那些我們對宇宙的物理理解崩潰的地方的不可預測的影響之外呢？這個問題聽起來可能很輕率，但實際上，它是一個長達數十年的物理學難題的核心，被稱為“宇宙審查”，研究人員可能終於接近於解答它。
在黑洞內部，我們所知的物理學走向終結。我們當前的引力理論，愛因斯坦的廣義相對論，預測了它自身在被稱為“奇點”的時空點上的失效。根據這些方程，在這些點上，引力場表現出不可預測的行為，常常增強到不可能的、無限高的水平，以至於方程本身無法描述那裡會發生什麼。
物理學的基本原則要求真實、物理的世界在黑洞內部繼續保持合理性。他們傾向於將數學的這種崩潰解釋為意味著某種尚未被發現的物理學，可能涉及量子力學，在奇點附近接管。但在他們找到一個統一引力和量子物理學的理論之前，究竟在這些點上會發生什麼仍然是未知的。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
幸運的是，由於奇點被藏在黑洞內部，我們不必擔心它們可能對外部世界產生的奇異影響。但是，如果這些奇點可以出現在外部——獨自出現呢？其影響可能是巨大的。因為我們還沒有一個完整的理論來描述奇點中會發生什麼，所以我們不能相信廣義相對論告訴我們的故事。“裸奇點導致廣義相對論失去其預測能力，”中國揚州大學的物理學家翁 Yen Chin 說，他研究了引力理論中奇點的性質。
在 20 世紀 60 年代，英國物理學家羅傑·彭羅斯正處於研究黑洞和奇點的數學的中心，這項工作後來為他贏得了2020 年諾貝爾物理學獎。當時，沒有人找到任何令人信服的證據表明廣義相對論方程可以描述物理上合理的宇宙中的這些未被遮蓋的奇點。它們總是僅僅在黑洞內部顯現出來。彭羅斯拼湊出了一些線索，暗示了一個猜想——一個有根據的猜測，而不是一個嚴密的證明——廣義相對論永遠不會做出那樣的預測。這個猜想被稱為宇宙審查：不知何故，數學必須起作用，以便自然界審查掉那些“裸”奇點的存在。
宇宙審查是一個聽起來對物理學家來說一定是正確的想法，大多數人認為它是正確的。儘管研究人員已經提出了發現裸奇點的方法——可以區分它們與黑洞的可觀察跡象——但天文學家尚未看到任何關於它們的證據。然而，經過 50 多年，沒有人證明或證偽彭羅斯的猜想。
在彭羅斯最初工作後的最初幾十年裡，理論研究支援宇宙審查會成立的觀點。然後，在 2010 年，物理學家路易斯·萊納和弗朗斯·普雷託瑞斯使用計算機模擬表明，黑洞的外表面可能會分裂成碎片，並留下裸奇點。然而，這種破裂帶有一個奇怪的轉折。它透過一個過程發生，即所謂的格雷戈裡-拉弗拉姆不穩定性，這種不穩定性只能發生在空間維度超過三維的宇宙中。換句話說，這些型別的揭示奇點的不穩定性在我們宇宙的廣義相對論描述的三維空間中應該是不可能的。
儘管有這個警告，結果仍然有意義。以這個例子為起點，研究人員可以尋找類似的過程並詢問：“在我們宇宙中會發生類似的事情嗎？”如果答案是否定的，他們可以問：“為什麼不呢？”倫敦瑪麗女王大學的物理學家保羅·菲格拉斯說，這種方法不等同於完整的證明，但它仍然具有說服力。“如果這個特定的過程是違反宇宙審查的唯一方法，”他說，“並且天體物理黑洞沒有受到它的影響，那麼這提供了一種證明 [彭羅斯的] 猜想在天體物理時空中是正確的方法。”
萊納和普雷託瑞斯的結果激發了人們對宇宙審查的新一輪興趣。根據菲格拉斯的說法，該領域在過去十年中獲得了發展勢頭，這在很大程度上歸功於計算技術的進步，這使得計算黑洞如何演化，以及在某些情況下，如何分裂並揭示奇點成為可能。“不僅僅是 20 年前沒有所需的計算機，”他說。“我們不理解如何在計算機中模擬廣義相對論，從而模擬黑洞。”他說，結果是，是的，裸奇點比預期的更常見——在具有額外維度的宇宙中。
例如，菲格拉斯和他的同事已經證明，當黑洞碰撞時，裸奇點可能會出現。即使在我們大學裡，這種碰撞也會發生。但是研究人員發現，在我們宇宙中發生的此類事件不會產生相同的結果——碰撞總是以奇點仍然包裹在黑洞內部而結束。
對彭羅斯的宇宙審查猜想的完整證明或決定性反駁仍然難以捉摸。翁說，無論該猜想是否成立，對大多數理論家來說，謎題本身不再是重點。“重要的是我們在此過程中可以學到什麼，我們可以獲得什麼見解，我們可以開發什麼工具，”他補充道。“旅程將很重要，而不僅僅是目的地。”