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哈佛天文学院院长:我们可能已经探测到了裸奇点

时间:2020-05-06 10:14:38 来源:环球科学 评论:博鳌博彩新闻 点击:0

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))

  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。

  在最近哈佛大学黑洞计划( Black Hole Initiative)的一场报告会上,一位哲学家提出,宇宙监督理论是现代广义相对论研究中最令人兴奋的问题。在他演讲结束后,我只产生了一个问题:“数学和哲学在此争论不止,但天文学家却能够在宇宙中搜寻裸奇点的存在。如果我们观测到了这些裸奇点,那还需要宇宙监督的存在吗?

  我认为,相比那些避开裸奇点的理论,我们更应当珍惜这个找到它们,并且借此探索新的物理学领域的机会。当然,就这一点而言,其关键之处在于“裸奇点是什么样子的”,毕竟我们还并不知道答案。考虑到奇点处极大的时空曲率,裸奇点或许会在一个强大的能量火球内,并会释放高能粒子。我们是否曾观测这种火球呢?有没有这样一种可能,我们已经探测到了裸奇点,只是误解了它的性质,因此没能认出来?

  在记录中,一种这样的火球就是伽马射线暴。这一天文现象通常伴随着黑洞的形成或是中子星的碰撞,但并未将它与裸奇点联系起来。除此之外的另一种可能还有快速射电暴,不过我们仍不知道它究竟是什么。

  我们需要擦亮双眼。如果真能用望远镜探测到裸奇点的话,这将是一个检测弦理论等量子引力理论的绝佳机会。然而问题在于,现有的各种量子引力理论并未预测裸奇点看起来会是怎么样的。因此,观测者应当做这一方向的领头羊,包括搜寻大爆炸这个裸奇点释放出的引力波,尽管这非常有挑战性。

  本文作者:亚伯拉罕·洛布(Abraham Loeb)是哈佛大学天文学院的院长,哈佛大学黑洞计划的创办负责人,以及哈佛-史密森天体物理中心理论与计算研究所的主任。他主要研究领域是黑洞、宇宙的未来及外星生命等。

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