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哈佛天文學院院長:我們可能已經探測到了裸奇點

時間:2020-05-06 10:14:38 來源:環球科學 評論:0 點擊:0

超大質量黑洞模擬圖(圖片來源:NASA, ESA, and D。 Coe, J。 Anderson, and R。 van der Marel (STScI))

  撰文:亞伯拉罕·洛布(Abraham Loeb)

  翻譯:張二七

  黑洞中心有一個奇點,這里時空曲率極大,已知的物理定律普遍失效。但如果奇點并未被囚禁在黑洞內部,這些“裸奇點”就可能對外面的世界產生無法預測的影響。過去一些理論試圖規避裸奇點的存在,但在這篇文章中,哈佛大學天文學院院長,哈佛大學黑洞計劃的創始人Avi Loeb卻提出,我們可能已經探測到了裸奇點,只是沒有意識到。或許未來的理論會允許裸奇點的存在。

  黑洞周圍連光都無法逃逸的區域被稱為事件視界。就像那句關于拉斯維加斯的俚語(在拉斯維加斯發生的,都會留在拉斯維加斯,whatever happens in Vegas stays in Vegas)一樣,在事件視界之內發生的事情,也會留在事件視界之內,任何光、物質或是信息都無法從此逃脫。

  黑洞的事件視界不僅困住了這些信息,還避免了宇宙中物理定律廣泛失效的情況出現。所有進入黑洞的物質的最終歸宿都是奇點,在這里,時空曲率極大,愛因斯坦廣義相對論方程失效。幸運的是,事件視界“包住”了奇點,從而將我們所在的宇宙空間與其分隔開來。因此,盡管現有理論仍無法解釋奇點處發生了什么,進入黑洞的物質去了哪,但這并不影響我們對事件視界之外的宇宙的認知。

  但是,有沒有可能存在不被視界包裹的,“赤裸”的奇點——“裸奇點”呢。如果裸奇點真的存在,那么在我們所處的時空中,現有的物理定律也將失效,我們將失去利用廣義相對論預測未來事件的能力

  為了避免這一大危機,物理學家羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)在1969年提出了宇宙監督理論(the cosmic censorship hypothesis),這一理論推測,宇宙中存在一位“監督”,它禁止裸奇點的出現。如果這一理論成立,那么那些廣義相對論失效的區域就都被限制住了,在這些區域之外,廣義相對論仍然有效。

  不過,宇宙監督的存在真的是必要的嗎?我們知道,愛因斯坦的廣義相對論方程組存在缺陷,它缺少了現代量子力學中的一個重要變量。雖然目前仍然缺少完整的量子引力理論,但未來這個理論或許就能夠解決奇點的問題,從而提供一個可以解釋整個時空的理論。在這個理論中,也許并不需要宇宙監督的存在。

  事實上,我們目前已經得到了一個有力線索,證明很可能的確存在這樣一個理論。1974年,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)做出了一項重大預言:黑洞會蒸發。根據量子理論,成對的“虛粒子”隨時隨地都有可能出現。通常情況下,這樣一對由正反粒子組成的虛粒子對會迅速湮滅,但如果虛粒子對產生在視界邊緣附近,或許會導致一個粒子出現在視界內,另一個出現在視界外,而外面的那個粒子可以帶著能量逃逸。粒子的逃逸會讓黑洞不斷收縮至徹底消失,而那些逃逸的粒子也被稱為“霍金輻射”。

  但如此一來,正在蒸發的黑洞就是一個裸奇點了——因為事件視界未能完整覆蓋這個黑洞。然而,對于那些質量大于三個太陽的黑洞,能釋放出的霍金輻射太弱了。而對于一些在宇宙初期誕生的小質量原初黑洞來說,它們的視界過小,因此已經在漫長的宇宙歷史中蒸發殆盡了。目前,我們尚未探測到黑洞蒸發的證據。

  除此之外,數學家和哲學家還在爭論,廣義相對論中宇宙監督是否應當限制“合理的”時空范圍。與此同時,也有人利用計算機解愛因斯坦方程組,來尋找極端條件下的裸奇點。

  在最近哈佛大學黑洞計劃( Black Hole Initiative)的一場報告會上,一位哲學家提出,宇宙監督理論是現代廣義相對論研究中最令人興奮的問題。在他演講結束后,我只產生了一個問題:“數學和哲學在此爭論不止,但天文學家卻能夠在宇宙中搜尋裸奇點的存在。如果我們觀測到了這些裸奇點,那還需要宇宙監督的存在嗎?

  我認為,相比那些避開裸奇點的理論,我們更應當珍惜這個找到它們,并且借此探索新的物理學領域的機會。當然,就這一點而言,其關鍵之處在于“裸奇點是什么樣子的”,畢竟我們還并不知道答案。考慮到奇點處極大的時空曲率,裸奇點或許會在一個強大的能量火球內,并會釋放高能粒子。我們是否曾觀測這種火球呢?有沒有這樣一種可能,我們已經探測到了裸奇點,只是誤解了它的性質,因此沒能認出來?

  在記錄中,一種這樣的火球就是伽馬射線暴。這一天文現象通常伴隨著黑洞的形成或是中子星的碰撞,但并未將它與裸奇點聯系起來。除此之外的另一種可能還有快速射電暴,不過我們仍不知道它究竟是什么。

  我們需要擦亮雙眼。如果真能用望遠鏡探測到裸奇點的話,這將是一個檢測弦理論等量子引力理論的絕佳機會。然而問題在于,現有的各種量子引力理論并未預測裸奇點看起來會是怎么樣的。因此,觀測者應當做這一方向的領頭羊,包括搜尋大爆炸這個裸奇點釋放出的引力波,盡管這非常有挑戰性。

  本文作者:亞伯拉罕·洛布(Abraham Loeb)是哈佛大學天文學院的院長,哈佛大學黑洞計劃的創辦負責人,以及哈佛-史密森天體物理中心理論與計算研究所的主任。他主要研究領域是黑洞、宇宙的未來及外星生命等。

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