黑洞哈佛天文学院院长：我们可能已经探测到了裸奇点
北京联盟_本文原题：哈佛天文学院院长：我们可能已经探测到了裸奇点
超大质量黑洞模拟图（图片来源：NASA ，ESA ，and D 。Coe ，J 。Anderson ，and R 。van der Marel （STScI））
本文插图
撰文：亚伯拉罕·洛布（Abraham Loeb）
翻译：张二七
黑洞中心有一个奇点 ， 这里时空曲率极大 ， 已知的物理定律普遍失效 。 但如果奇点并未被囚禁在黑洞内部 ， 这些“裸奇点”就可能对外面的世界产生无法预测的影响 。 过去一些理论试图规避裸奇点的存在 ， 但在这篇文章中 ， 哈佛大学天文学院院长 ， 哈佛大学黑洞计划的创始人Avi Loeb却提出 ， 我们可能已经探测到了裸奇点 ， 只是没有意识到 。 或许未来的理论会允许裸奇点的存在 。
黑洞周围连光都无法逃逸的区域被称为事件视界 。 就像那句关于拉斯维加斯的俚语（在拉斯维加斯发生的 ， 都会留在拉斯维加斯 ， whatever happens in Vegas stays in Vegas）一样 ， 在事件视界之内发生的事情 ， 也会留在事件视界之内 ， 任何光、物质或是信息都无法从此逃脱 。
黑洞的事件视界不仅困住了这些信息 ， 还避免了宇宙中物理定律广泛失效的情况出现 。 所有进入黑洞的物质的最终归宿都是奇点 ， 在这里 ， 时空曲率极大 ， 爱因斯坦广义相对论方程失效 。 幸运的是 ， 事件视界“包住”了奇点 ， 从而将我们所在的宇宙空间与其分隔开来 。 因此 ， 尽管现有理论仍无法解释奇点处发生了什么 ， 进入黑洞的物质去了哪 ， 但这并不影响我们对事件视界之外的宇宙的认知 。
但是 ， 有没有可能存在不被视界包裹的 ， “赤裸”的奇点——“裸奇点”呢 。 如果裸奇点真的存在 ， 那么在我们所处的时空中 ， 现有的物理定律也将失效 ， 我们将失去利用广义相对论预测未来事件的能力 。
为了避免这一大危机 ， 物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）在1969年提出了宇宙监督理论（the cosmic censorship hypothesis） ， 这一理论推测 ， 宇宙中存在一位“监督” ， 它禁止裸奇点的出现 。 如果这一理论成立 ， 那么那些广义相对论失效的区域就都被限制住了 ， 在这些区域之外 ， 广义相对论仍然有效 。
不过 ， 宇宙监督的存在真的是必要的吗？我们知道 ， 爱因斯坦的广义相对论方程组存在缺陷 ， 它缺少了现代量子力学中的一个重要变量 。 虽然目前仍然缺少完整的量子引力理论 ， 但未来这个理论或许就能够解决奇点的问题 ， 从而提供一个可以解释整个时空的理论 。 在这个理论中 ， 也许并不需要宇宙监督的存在 。
事实上 ， 我们目前已经得到了一个有力线索 ， 证明很可能的确存在这样一个理论 。 1974年 ， 斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）做出了一项重大预言：黑洞会蒸发 。 根据量子理论 ， 成对的“虚粒子”随时随地都有可能出现 。 通常情况下 ， 这样一对由正反粒子组成的虚粒子对会迅速湮灭 ， 但如果虚粒子对产生在视界边缘附近 ， 或许会导致一个粒子出现在视界内 ， 另一个出现在视界外 ， 而外面的那个粒子可以带着能量逃逸 。 粒子的逃逸会让黑洞不断收缩至彻底消失 ， 而那些逃逸的粒子也被称为“霍金辐射” 。
但如此一来 ， 正在蒸发的黑洞就是一个裸奇点了——因为事件视界未能完整覆盖这个黑洞 。 然而 ， 对于那些质量大于三个太阳的黑洞 ， 能释放出的霍金辐射太弱了 。 而对于一些在宇宙初期诞生的小质量原初黑洞来说 ， 它们的视界过小 ， 因此已经在漫长的宇宙历史中蒸发殆尽了 。 目前 ， 我们尚未探测到黑洞蒸发的证据 。
除此之外 ， 数学家和哲学家还在争论 ， 广义相对论中宇宙监督是否应当限制“合理的”时空范围 。 与此同时 ， 也有人利用计算机解爱因斯坦方程组 ， 来寻找极端条件下的裸奇点 。
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