尋找裸奇點

“宇宙審查”假說認為它們不應該存在——但我們是否有可能已經探測到它們,只是誤解了它們的本質?

超大質量黑洞模擬圖。

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本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點。


黑洞隱藏在事件視界之後,就像在拉斯維加斯一樣,“事件視界內發生的一切,都留在事件視界內”。沒有任何資訊洩露出來。

黑洞事件視界還帶來了一個額外的好處,那就是隱藏了預測它的理論的尷尬之處。落入黑洞的物質最終會到達一個奇點,在那裡時空曲率發散,愛因斯坦的廣義相對論方程失效。幸運的是,我們無法確定落入物質的位置,因為它的密度在這個奇點附近發散,這對外部世界沒有影響,外部世界仍然受到事件視界的保護。

但是,愛因斯坦的方程是否會導致“裸奇點”的出現?裸奇點沒有隱藏在事件視界之後。如果這樣的時空區域影響到我們,我們將無法使用廣義相對論來預測我們的未來。


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為了避免這種危機,物理學家羅傑·彭羅斯在 1969 年提出了宇宙審查假說,該假說推測可能存在限制,禁止自然界中出現裸奇點。如果是這樣,廣義相對論透過限制其未來行為無法預測的區域的影響,從而保持確定性。

但是,真的需要宇宙審查嗎?我們知道,愛因斯坦的廣義相對論方程是不完整的,因為它們缺少現代物理學的一個關鍵要素,即量子力學。我們目前還沒有完整的量子引力理論,它可能會治癒奇點,並使通常的確定性在整個時空範圍內顯現出來。在那個理論中,將無需透過超越基本物理原理的限制來審查任何區域。

事實上,我們已經有了一個強烈的暗示,這可能是真的。1974 年,斯蒂芬·霍金證明了黑洞會輻射。事後看來,他的結果是顯而易見的。不可能將光子(光粒子)限制在小於其波長的牢房中,因為它們的位置無法被精確定位。因此,黑洞附近的真空漲落會產生光子,這些光子會洩漏出去,因為它們的波長大於視界尺度。這種所謂的“霍金輻射”是由進入黑洞內部的虛粒子的引力結合能產生的。

正在蒸發的黑洞是裸奇點,因為它們沒有被其事件視界完全隱藏起來。不幸的是,對於質量大於三個太陽的天體黑洞,其事件視界大於曼哈頓的長度,其輻射太弱,無法探測到。質量相當於小行星的黑洞可能在早期宇宙中產生,其事件視界小於質子的大小,並且可能在宇宙的生命週期中已經爆炸。儘管到目前為止我們尚未探測到正在蒸發的黑洞,但簡單的半經典量子引力公式預測了它們的存在。

儘管有這個眾所周知的例子,數學家和哲學家仍然在爭論宇宙審查是否應該限制廣義相對論中“合理”時空的範圍。與此同時,計算機程式碼被用來求解愛因斯坦方程,並在極端條件下搜尋病態的裸奇點。

在哈佛大學黑洞計劃最近的一次座談會上,一位哲學家將宇宙審查定義為當前廣義相對論研究中最激動人心的問題之一。當他結束講座時,我只有一個問題:“考慮到這些數學和哲學方面的考慮,天文學家可以在天空中尋找裸奇點。如果我們找到它們,是否還需要審查?”

我們不應尋找避免裸奇點的理由,而應珍惜找到它們的機會,將其作為探索新物理學的途徑。當然,這方面最重要的未知數是:“裸奇點是什麼樣子的?”由於它們附近時空的極端曲率,裸奇點可能會在強大的能量火球中產生高能粒子。我們是否在天空中觀察到這樣的火球?我們是否有可能已經探測到裸奇點,只是誤解了它們的本質?

記錄在案的火球系列之一是伽馬射線暴。這些天體爆炸通常與黑洞的誕生或中子星的碰撞有關,但與裸奇點無關。我們還觀察到快速射電暴,其性質目前尚不清楚。

我們應該睜大眼睛。如果我們的望遠鏡探測到裸奇點,它們將成為檢驗量子引力理論(例如弦理論)的最佳實驗室。問題在於,候選的量子引力理論並沒有預測這些源會是什麼樣子。它們在這個遊戲中沒有“發言權”。因此,觀測者應該帶頭,包括透過對大爆炸奇點產生的引力波的挑戰性探索

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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