黑洞內或存在所謂奇點 擁有無限大引力

作者：Yuen Yiu, Staff Writer

發表於：2017年5月18日

來源： AIP InsideScience

理論物理學家苦苦思索一個看似不可能的時空點，也就是所謂的「引力奇點」。在這個點上，引力將變得無限大。

神秘莫測的黑洞

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黑洞內到底存在什麼？是蟲洞還是整個宇宙？由於任何物質都無法逃離黑洞，我們可能永遠不知道黑洞內部究竟是怎麼一番景象。誠然，天文物理學家無法直接窺探黑洞的秘密，但他們可以「猜」。

引力奇點是天體物理學家特別感興趣的一個概念。所謂的引力奇點是一個假設的時空點，擁有無限大的引力。愛因斯坦的廣義相對論雖然預測引力奇點存在於黑洞內部，但並沒有闡述這個點究竟發生了什麼。這種宇宙認知空白就像小說的情節漏洞，作者在第一章推出了一頭怪獸，但並沒有詳細描寫怪獸的所作所為。奇點就是物理學版的「契訶夫之槍」，吊足了我們所有人的胃口。

天體物理學研究往往受限於科學家能夠從太空中獲取的數據數量。通常情況下，由於無法製造出性能足夠強大的觀測儀器，探測宇宙中的某些事件，科學家無法獲取相關數據。其它情況下，我們希望獲取的信息受到物理學定律的「保護」。例如，黑洞事件視界內部存在的信息無法逃離黑洞引力的束縛，因此不管我們能夠研製出性能多麼卓越的天文望遠鏡，也無法獲取這些信息。為了進行窺探宇宙的秘密，理論物理學家利用一系列複雜的數學工具，推測宇宙中一些怪異和隱藏區域究竟上演著怎樣的景象。

愛因斯坦帶來的數學難題

2011年，英國著名理論物理學家羅傑·彭羅斯發表演講

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英國劍橋大學理論物理學系博士生托比·克里斯福特表示：「根據愛因斯坦廣義相對論的預測，奇點會在確定條件下形成。奇點是廣義相對論方程式的失效點，擁有無限大的引力場。」如果地球附近存在一個引力奇點，物理學定律的確定性本質將被打破，任何事情都有可能發生——一個黑洞憑空出現，時間倒轉，太陽甚至會急劇萎縮，變得只有嬰兒腦袋大小。在這種情況下，一切將變得毫無意義。愛因斯坦的廣義相對論雖然預測了奇點的存在，但並沒有詳細闡述。科學家試圖給出合理解釋，讓奇點與愛因斯坦的方程式以及我們的現實世界相協調。

為了破解這個難題，科學家提出了一系列假設，包括著名的「宇宙審查假設」。1969年，英國著名理論物理學家羅傑·彭羅斯提出了這一假設，認為奇點無法從其它時空區域進行觀測。彭羅斯並沒有否定大爆炸理論。在他看來，如果我們的宇宙存在奇點，它們將一直被「封存」在黑洞內部。用他的話說，就是接受宇宙版審查。

如果這種假設成立，即使存在奇點，它們的影響也只局限在黑洞內部。在這種情況下，至今未被科學家理解的量子引力等其它怪異的物理學理論便可以大顯身手，填補愛因斯坦相對論的「情節漏洞」。迄今為止，這個漏洞已經存在了100多年。

絕大多數科學家認為宇宙審查假設成立，因為我們至今也沒有觀測到奇點。從彭羅斯首次質疑愛因斯坦預言到現在已經過了近50年，決定性證據仍遲遲未登場。通過實驗確定奇點存在幾乎是不可能的，為此，物理學家一直將精力放在構思理論情節上。他們提出了挑戰宇宙審查假設的所謂「裸奇點」，此時的宇宙擁有所有怪異的維度或者時空曲率，與我們生存的宇宙截然不同。

不接受審查的裸奇點

克里斯福特表示：「我們能夠找到挑戰宇宙審查假設並且擁有更高維度的反例。」理論物理學家創建了五維環形黑洞模型，用以研究特定情況。在這種情境下，時空中的裸奇點露出本來面目，周圍並沒有黑洞存在。

路易斯安那州立大學巴吞魯日分校的理論物理學伊凡·阿古羅指出，對奇點的計算往往面臨相當難度，理論物理學家只能在確定條件下尋找答案，例如擁有特定曲率，甚至不同維度的時空。這與物理學家估算拋射物軌跡的做法類似。進行這種估算時，物理學家往往舍掉確定變數。如果將所有變數都考慮在內，例如空氣動力學、引力變化，甚至於科里奧利效應，尋找答案的道路將變得異常複雜。

阿古羅表示：「我們能做的就是不斷積累相關知識，在方程式可解的情況下對各種論據進行驗證。」

5月2日，《物理評論快報》刊登了克里斯福特所在研究小組的最新論文。研究中，他們採取了一種全新方式，探索這個問題。他們提出了一個彭羅斯假設反例，不過是在四維條件下，即三個空間維度和一個時間維度。這是科學家第一次用數學方式在四維時空創建裸奇點。他們在計算中使用的負曲率時空——被稱之為「反德西特空間」——仍與我們生存的四維時空存在很大差異。在物理學界，時空曲率仍舊是一個熱門討論話題。克里斯福特指出：「通過計算，我們讓找尋答案的夢想進一步靠近現實。」

神秘的「量子外衣」

其他研究人員採取了不同方式，將目光投向愛因斯坦廣義相對論方程式之外。巴西、義大利和智利的理論物理學家展開國際合作，在量子層面上研究奇點周邊物質產生的影響。他們的研究論文刊登在3月的《物理評論快報》上。研究指出量子效應能夠創造出事件視界，遮擋住裸奇點，讓外部觀察者只能「望點興嘆」。即使裸奇點的存在是愛因斯坦方程式的解，情況依舊如此。

研究中，他們首先創建一個模型，讓旋轉的裸奇點存在於一個三維時空——兩個空間維度加一個時間維度。他們發現一旦修改模型，將其它量子效應包含在內，奇點周圍立即形成一個事件視界。用他們的話說，給裸奇點穿上了「量子外衣」

此外，他們還對另外一種設想進行了研究。首先，為模型添加一個旋轉黑洞。在這種情況下，他們發現引入量子效應會導致黑洞內部陷入不穩定狀態。據研究人員推測，正是這種不穩定「保護」了物理學定律——具體地說，就是黑洞內部的物理學可預測性——否則的話，物理學定律將失去意義。量子效應是很多不同物理現象的一個總稱，但扮演關鍵角色的是1974年由霍金提出的概念，即所謂的「霍金輻射」。

研究論文作者、里約熱內盧的巴西物理學研究中心的理論物理學家馬克·卡薩斯指出：「我們或許可以用動畫的方式理解霍金輻射。根據量子物理學，即使在真空條件下，粒子和反粒子也始終處於被創造狀態。當這一事件在黑洞附近發生，其中一個墜入黑洞，另一個成功逃離，黑洞看起來便一直在釋放輻射。」

在極端條件下，某些效應看似微不足道，實際上卻會產生非常重大的影響。狹義相對論能夠解釋GPS衛星上的時鐘為何在高軌道速度下變慢。除非你生活在空間站，否則的話，你的手錶不會受到很大影響。類似地，科學家認為霍金輻射雖紮根於微小的量子效應，但卻在黑洞物理學方面扮演了一個非常重要的角色。

雖然高度理論化並且需要具備苛刻的技術條件，實驗主義者仍積極努力，試圖在地球上對這些效應進行直接觀測。你可能聽說過這樣的新聞，歐洲大型強子對撞機項目的科學家可能在地球上創造出一個微型黑洞。這條新聞讓很多公眾陷入恐懼之中，擔心這個黑洞將最終吞噬整個地球。在這種特定條件下，霍金輻射成為關鍵性效應，能夠讓微型黑洞瞬間瓦解，來不及造成任何破壞。

引力：最難理解的基本力

藝術概念動畫，展示了圈量子引力理論下的幾何結構演化

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對黑洞、裸奇點以及其它怪異現象的研究有助於科學家進一步了解引力——引力是4種基本力中最難理解的。引力是最弱的力，雖然廣義相對論與之密切相關，但絲毫不會降低研究引力的難度。其它3種力——弱力、強力和電磁力——都被統一在量子場論的框架下，而引力仍游離在外，成為探尋「萬物理論」過程中最後一個難以捉摸的環節。克里斯福特表示：「我們知道廣義相對論並不是一個完整的萬物理論。」

完全了解引力的金鑰匙或許就隱藏在大爆炸和黑洞之內。然而，讓黑洞如此令人著迷的引力同樣阻止我們窺探黑洞的秘密，手段就是在第一時間創造出黑洞的事件視界。奇點概念和宇宙審查假設與其它謎團交織在一起，造成了萬物理論拼圖的不完整。物理學家能否找到缺失的一環？沒有人能夠給出準確答案。

探尋答案過程中，一些科學家將目光投向量子引力，一個仍處在萌芽狀態的研究領域。完整的引力理論不僅能夠告訴我們黑洞內部究竟發生了什麼，同時還可能填補當前的宇宙認知空白。量子引力研究有助於科學家完善引力理論。阿古羅指出：「為了徹底驗證宇宙審查假設，我們需要進一步了解量子引力，但這種研究將面臨相當大的挑戰。」

https://www.insidescience.org/news/meet-biggest-censor-all-universe?utm_campaign=8312477_Meet%20the%20Biggest%20Censor%20of%20All:%20the%20Universe&utm_medium=email&utm_source=Inside%20Science&dm_i=1ZJY,4Y5Y5,PB3KJU,ISSNT,1

文章來源： 美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄 張錚錚供稿

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