物理學家們精確地計算出了黑洞的中心——奇點究竟是什麼樣

2021-01-08 劉同學的科學戰記

黑洞內部奇點的性質就一直是個謎

1916年1月，在東線當兵的德國物理學家卡爾·史瓦西提出了廣義相對論的第一個精確解，這是阿爾伯特·愛因斯坦此前提出的激進的引力理論。廣義相對論把引力描繪成彎曲空間和時間的影響，而不是人們長期以來所理解的引力。史瓦西的解揭示了一個靜止的物質球體周圍時空的曲率。

奇怪的是，史瓦西注意到如果這個物質被限制在一個足夠小的半徑內，在中心會有一個無限曲率和密度的點，這就是一個奇點。

物理學中突然出現的無窮大通常會引起科學家們的恐慌，愛因斯坦在得知史瓦西的結果後，史瓦西自己也不敢相信這種物體真的存在。但從20世紀70年代開始，越來越多的證據表明，宇宙中存在大量這樣的實體，這些實體就是黑洞，因為它們的引力太強，任何進入它們的東西都出不來，甚至光也出不來。從那時起，黑洞內部奇點的性質就一直是個謎。

哈佛大學黑洞計劃(BHI)的一個研究小組在這個謎題上取得了重大進展。

保羅·切斯勒、拉梅什·納拉揚和埃裡克·庫列爾探索了理論上的黑洞的內部性質，這些黑洞與天文學家研究的實際黑洞類似，試圖確定黑洞內部存在何種奇點。

切斯勒解釋說，奇點並不是數量真正無限的地方，而是「廣義相對論崩潰的地方」。在這一點上，廣義相對論被認為是讓位給一個更精確的，但仍然未知的，量子尺度的重力描述。但是愛因斯坦的理論有三種不同的描述方式，導致了三種不同的可能的奇點。「知道廣義相對論何時何地失效對了解它背後的(量子引力)理論很有幫助，」切斯勒說。

BHI小組建立在1963年，並且當年取得了一項重大的進展，當時數學家羅伊·克爾解出了一個旋轉黑洞的愛因斯坦方程，這比史瓦西提出的情況更現實，因為幾乎宇宙中的一切都在旋轉。這個問題比史瓦西的更難，因為旋轉的物體在中心有凸起，因此缺乏球面對稱性。克爾的解決方案明確地描述了旋轉黑洞外的區域，而不是黑洞內部。

克爾的黑洞仍然有些不切實際，因為它佔據了一個沒有物質的空間。BHI的研究人員意識到，這可能會使黑洞變得不穩定。即使是單個粒子的加入，也會極大地改變黑洞內部的時空幾何結構。為了使他們的模型更真實、更穩定，他們在理論黑洞內和周圍撒上了一種叫做「基本標量場」的特殊物質。雖然最初的克爾的解決方案關注的是一個「永恆的」黑洞，它一直存在，但在BHI的分析中，黑洞是由引力坍縮形成的，就像宇宙中大量存在的黑洞一樣。

首先，切斯勒、納拉揚和庫列爾在一個帶電的、不旋轉的、球形黑洞上測試了他們的方法。

BHI研究小組的分析表明，這兩種類型的黑洞都包含兩種截然不同的奇點。黑洞被包裹在一個叫做事件視界的球體中：一旦物質或光線穿過這個無形的邊界進入黑洞，它就無法逃脫。在視界內部，帶電的靜止和旋轉的黑洞已知有第二個不返回的球面，稱為內視界。切斯勒和他的同事們發現，對於他們所研究的黑洞，一個「零」奇點不可避免地在內部視界形成，這一發現與之前的結果一致。切斯勒解釋說，在黑洞存在的大部分時間裡，物質和輻射都可以通過這種奇點，但隨著時間的推移，時空曲率呈指數增長，在無限的晚期變成無限。

物理學家們最想知道的是他們的準現實黑洞是否有一個中心奇點，這個事實只有在簡單的史瓦西黑洞中才能確定。如果存在一個中心奇點，他們想確定它是「類空間」還是「類時間」。

什麼是類空間，什麼是類時間？

這些術語源於這樣一個事實：一旦粒子接近類空間奇點，就不可能在時間上向前演化出廣義相對論方程。演化只能沿著空間方向進行。相反，接近類時間奇點的粒子不會被無情地吸進去，它仍然有一個可能的未來，因此可以在時間上向前移動，儘管它在空間上的位置是固定的。外部觀察者無法看到類空間的奇點，因為光波總是向它們移動，永遠不會出來。然而，光波可以從類時間的奇點中發出，使得外界可以看到它們。

在這兩種類型中，物理學家們更喜歡研究類空間，並且更相信類空間的理論，因為廣義相對論只在奇點處才會崩潰。對於一個類時間的奇點，這一理論在這一點周圍的任何地方都站不住腳。例如，物理學家無法預測輻射是否會從一個類時間的奇點出現，以及它的強度或振幅可能是多少。

研究小組發現，在他們所研究的兩種類型的黑洞中，確實存在一個中心奇點，而且它總是像空間一樣。切斯勒指出，許多天體物理學家都認為這是一種真實的情況，但這還不是很確定。

BHI對黑洞奇點的研究跨出了一大步

以色列海法理工學院的黑洞專家、物理學家阿莫斯·奧裡在談到切斯勒的新論文時表示，「就我所知，這是首次對旋轉黑洞內部出現的類空間奇點給出如此直接的推導。」

Gaurav Khanna是麻省大學達特茅斯分校的物理學家，他也研究黑洞的奇點，他稱BHI團隊的研究是巨大的進步，比之前在這一領域的研究有了巨大的飛躍。

雖然切斯勒和他的合作者已經證實了天體物理黑洞在其核心有類空間的奇點，但他們還沒有證明這一點。他們的下一步是進行更實際的計算，超越基本標量場，並將更複雜的物質和輻射形式結合起來。

切斯勒強調，當物理學家們構建出一套量子引力理論，能夠處理在這些點上發現的極端條件時，黑洞計算中出現的奇點應該會消失。根據切斯勒的說法，將愛因斯坦的理論推到極限，看看它是如何失敗的，你可以指導自己構建下一個理論。

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