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物理学家们精确地计算出了黑洞的中心——奇点究竟是什么样

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发表时间:2020-03-25 19:05作者:小鱼儿

黑洞内部奇点的性质就一直是个谜

1916年1月,在东线当兵的德国物理学家卡尔·史瓦西提出了广义相对论的第一个精确解,这是阿尔伯特·爱因斯坦此前提出的激进的引力理论。广义相对论把引力描绘成弯曲空间和时间的影响,而不是人们长期以来所理解的引力。史瓦西的解揭示了一个静止的物质球体周围时空的曲率。

奇怪的是,史瓦西注意到如果这个物质被限制在一个足够小的半径内,在中心会有一个无限曲率和密度的点,这就是一个奇点。

物理学中突然出现的无穷大通常会引起科学家们的恐慌,爱因斯坦在得知史瓦西的结果后,史瓦西自己也不敢相信这种物体真的存在。但从20世纪70年代开始,越来越多的证据表明,宇宙中存在大量这样的实体,这些实体就是黑洞,因为它们的引力太强,任何进入它们的东西都出不来,甚至光也出不来。从那时起,黑洞内部奇点的性质就一直是个谜。

哈佛大学黑洞计划(BHI)的一个研究小组在这个谜题上取得了重大进展。

保罗·切斯勒、拉梅什·纳拉扬和埃里克·库列尔探索了理论上的黑洞的内部性质,这些黑洞与天文学家研究的实际黑洞类似,试图确定黑洞内部存在何种奇点。

切斯勒解释说,奇点并不是数量真正无限的地方,而是“广义相对论崩溃的地方”。在这一点上,广义相对论被认为是让位给一个更精确的,但仍然未知的,量子尺度的重力描述。但是爱因斯坦的理论有三种不同的描述方式,导致了三种不同的可能的奇点。“知道广义相对论何时何地失效对了解它背后的(量子引力)理论很有帮助,”切斯勒说。

BHI小组建立在1963年,并且当年取得了一项重大的进展,当时数学家罗伊·克尔解出了一个旋转黑洞的爱因斯坦方程,这比史瓦西提出的情况更现实,因为几乎宇宙中的一切都在旋转。这个问题比史瓦西的更难,因为旋转的物体在中心有凸起,因此缺乏球面对称性。克尔的解决方案明确地描述了旋转黑洞外的区域,而不是黑洞内部。

克尔的黑洞仍然有些不切实际,因为它占据了一个没有物质的空间。BHI的研究人员意识到,这可能会使黑洞变得不稳定。即使是单个粒子的加入,也会极大地改变黑洞内部的时空几何结构。为了使他们的模型更真实、更稳定,他们在理论黑洞内和周围撒上了一种叫做“基本标量场”的特殊物质。虽然最初的克尔的解决方案关注的是一个“永恒的”黑洞,它一直存在,但在BHI的分析中,黑洞是由引力坍缩形成的,就像宇宙中大量存在的黑洞一样。

首先,切斯勒、纳拉扬和库列尔在一个带电的、不旋转的、球形黑洞上测试了他们的方法。

BHI研究小组的分析表明,这两种类型的黑洞都包含两种截然不同的奇点。黑洞被包裹在一个叫做事件视界的球体中:一旦物质或光线穿过这个无形的边界进入黑洞,它就无法逃脱。在视界内部,带电的静止和旋转的黑洞已知有第二个不返回的球面,称为内视界。切斯勒和他的同事们发现,对于他们所研究的黑洞,一个“零”奇点不可避免地在内部视界形成,这一发现与之前的结果一致。切斯勒解释说,在黑洞存在的大部分时间里,物质和辐射都可以通过这种奇点,但随着时间的推移,时空曲率呈指数增长,在无限的晚期变成无限。

物理学家们最想知道的是他们的准现实黑洞是否有一个中心奇点,这个事实只有在简单的史瓦西黑洞中才能确定。如果存在一个中心奇点,他们想确定它是“类空间”还是“类时间”。

什么是类空间,什么是类时间?

这些术语源于这样一个事实:一旦粒子接近类空间奇点,就不可能在时间上向前演化出广义相对论方程。演化只能沿着空间方向进行。相反,接近类时间奇点的粒子不会被无情地吸进去,它仍然有一个可能的未来,因此可以在时间上向前移动,尽管它在空间上的位置是固定的。外部观察者无法看到类空间的奇点,因为光波总是向它们移动,永远不会出来。然而,光波可以从类时间的奇点中发出,使得外界可以看到它们。

在这两种类型中,物理学家们更喜欢研究类空间,并且更相信类空间的理论,因为广义相对论只在奇点处才会崩溃。对于一个类时间的奇点,这一理论在这一点周围的任何地方都站不住脚。例如,物理学家无法预测辐射是否会从一个类时间的奇点出现,以及它的强度或振幅可能是多少。

研究小组发现,在他们所研究的两种类型的黑洞中,确实存在一个中心奇点,而且它总是像空间一样。切斯勒指出,许多天体物理学家都认为这是一种真实的情况,但这还不是很确定。

BHI对黑洞奇点的研究跨出了一大步

以色列海法理工学院的黑洞专家、物理学家阿莫斯·奥里在谈到切斯勒的新论文时表示,“就我所知,这是首次对旋转黑洞内部出现的类空间奇点给出如此直接的推导。”

Gaurav Khanna是麻省大学达特茅斯分校的物理学家,他也研究黑洞的奇点,他称BHI团队的研究是巨大的进步,比之前在这一领域的研究有了巨大的飞跃。

虽然切斯勒和他的合作者已经证实了天体物理黑洞在其核心有类空间的奇点,但他们还没有证明这一点。他们的下一步是进行更实际的计算,超越基本标量场,并将更复杂的物质和辐射形式结合起来。

切斯勒强调,当物理学家们构建出一套量子引力理论,能够处理在这些点上发现的极端条件时,黑洞计算中出现的奇点应该会消失。根据切斯勒的说法,将爱因斯坦的理论推到极限,看看它是如何失败的,你可以指导自己构建下一个理论。

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