如果掉入裸奇點會是什麼樣子?[嘉賓帖子]

去年,小說家塞爾吉奧·德拉帕瓦將美國的刑事司法系統比作裸奇點的奇異物理概念。這啟發我向《大眾科學》關於這個概念的文章作者,孟買塔塔基礎研究所的理論物理學家潘卡吉·喬希(照片右側)詢問最新情況。

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去年,小說家塞爾吉奧·德拉帕瓦將美國的刑事司法系統比作裸奇點的奇異物理概念。這啟發我向《大眾科學》關於這個概念的文章作者,孟買塔塔基礎研究所的理論物理學家潘卡吉·喬希(照片右側)詢問最新情況。也請觀看他在YouTube上的講座

想象一個沒有“黑”部分的黑洞。也就是說,想象一個你可以掉進去,並且只要不撞到洞的最中心——所謂的時空奇點——並被壓成虛無,就可以努力逃出來的黑洞。換句話說,想象一個沒有外圍邊界(所謂的事件視界)但有中心奇點的黑洞。這就是物理學家和宇宙學家所說的裸奇點。

這將是一種奇怪的野獸,就像一顆小到可以握在手中的恆星——儘管你絕對不想這樣做。這東西可以擁有整顆恆星(甚至更多)的質量,壓縮成接近數學點的東西。靠近它,能量密度、時空曲率和所有其他物理量都會變得任意大。極端物理學將支配那裡的事件。


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裸奇點真的能在自然界中形成嗎,還是一顆大質量恆星的坍縮總是產生事件視界?羅傑·彭羅斯(上圖照片左側)著名地提出它們不能形成。但後來的研究表明,它們確實在物理上合理的條件下形成,正如我在幾年前的《大眾科學》文章中討論的那樣。這是當今現代黑洞物理學和相對論天體物理學中最受熱議的前沿問題之一。

由於愛因斯坦的引力理論允許黑洞和裸奇點都存在,因此由觀察者來解決這個問題。但是裸奇點如何將自己與有“衣服”的奇點區分開來呢?奇點通常有兩種型別:一種像事件,另一種像物體。大爆炸是事件型奇點;黑洞就像一個物體。兩種型別都可以作為引力坍縮的最終狀態產生,這取決於諸如坍縮的速度快慢、物質殼層如何落入以及物質雲的內部結構等變數。災難性的坍縮,例如一顆大質量恆星在幾秒鐘內內爆,將產生事件型裸奇點。較慢的坍縮可能會產生物體型裸奇點。

當裸奇點是事件型時,它看起來像爆炸。隨著恆星坍縮,它最終會因為量子引力效應而反彈。在這種情況下,觀察者需要尋找一種無法解釋的能量爆發。

當裸奇點是物體型時,它看起來很像一個沒有視界“衣服”的黑洞(因此得名)。物質漩渦盤會在它周圍形成,並且我和我的同事最近表明,該圓盤將比黑洞周圍的同等圓盤亮得多。它也會透過光譜、附近粒子碰撞的更高效率以及彎曲光線的方式來區分自己。

那些具有冒險精神的人可能會想象登上星艦並衝入裸奇點。下降過程將與進入黑洞的旅程大不相同。對於黑洞情況,當神風宇航員接近事件視界時,他們發出的光會變得越來越暗,最終超出任何可觀察的極限。在裸奇點情況下,光線可以從奇點的任意附近逃逸。宇航員將能夠一路保持無線電聯絡,並將量子引力效應的直接圖片發回地球。

如果你用相機直接對準黑洞,你只會看到墨黑一片。如果你用相機對準裸奇點,你會看到一個小的但明亮的物體,儘管它的光譜不尋常。從技術上講,你沒有看到奇點本身,而是它的直接環境。宇航員將能夠說:“啊,這就是物理學的統一方式”,並將他們的成就告知家鄉的朋友。他們甚至可能活著講述這個故事。

羅傑·彭羅斯(左)和潘卡吉·喬希(右)的照片由H. Chauhan提供

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