人类想探测到“裸奇点”了,还要多久?

哈佛大学天文学院院长、哈佛大学黑洞计划创始人阿维·勒布(Avi Loeb)提出,我们可能已经发现了裸奇点,但我们只是没有意识到。也许未来的理论会允许赤裸裸的奇点存在。

超大质量黑洞的模拟

在黑洞的中心有一个奇点,时空的曲率非常大,已知的物理定律通常是无效的。但是如果奇点不局限于黑洞内部,这些“裸奇点”可能会对外部世界产生不可预测的影响。过去,一些理论试图回避裸奇点的存在,但在这篇文章中,哈佛大学天文学院院长、哈佛大学黑洞计划创始人阿维·勒布(Avi Loeb)提出,我们可能已经发现了裸奇点,但我们并没有意识到它。也许未来的理论会允许赤裸裸的奇点存在。

作者:亚伯拉罕·勒布

翻译:张二七

黑洞周围连光都无法逃脱的区域被称为事件视界。就像关于拉斯维加斯的俚语一样(无论在拉斯维加斯发生什么,都将留在拉斯维加斯,无论在拉斯维加斯发生什么,都将留在拉斯维加斯),事件视界中发生的事情都将留在事件视界中,没有任何光、物质或信息可以从中逃脱。

黑洞的视界不仅捕捉了这些信息,还避免了宇宙中物理定律的普遍失效。所有物质进入黑洞的最终目的地是一个奇点,在这里时空曲率非常大,爱因斯坦的广义相对论方程失败了。幸运的是,视界“包围”了奇点,从而将我们的空间与它分隔开来。因此,尽管现有的理论仍然不能解释奇点发生了什么以及进入黑洞的物质去了哪里,但这并不影响我们对事件视界之外的宇宙的理解。

然而,有没有可能存在一个没有被地平线包裹的“裸”奇点——“裸奇点”?如果赤裸裸的奇点真的存在,那么现有的物理定律也将在我们生活的时空中失效,我们将失去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·彭罗斯在1969年提出了宇宙审查理论,该理论推测宇宙中有一个“监督者”禁止裸奇点的出现。如果这个理论成立,广义相对论失败的领域将是有限的,在这些领域之外,广义相对论仍然有效。

然而,宇宙审查制度的存在真的有必要吗?我们知道爱因斯坦的广义相对论方程是有缺陷的,并且在现代量子力学中缺少一个重要的变量。尽管仍然缺乏一个完整的量子引力理论,这个理论也许能够解决未来的奇点问题,从而提供一个可以解释整个空间和时间的理论。在这个理论中,可能不需要宇宙审查。

事实上,我们现在有了一个强有力的线索来证明可能存在这样一个理论。1974年,斯蒂芬·霍金做出了一个重大预测:黑洞将会蒸发。根据量子理论,成对的“虚拟粒子”可以随时随地出现。在正常情况下,这样一对由正负粒子组成的虚拟粒子会迅速湮灭,但是如果虚拟粒子对是在事件视界的边缘附近产生的,它可能导致一个粒子出现在事件视界内部,另一个出现在事件视界外部,并且外部的粒子可以带着能量逃逸。粒子的逃逸导致黑洞收缩直至完全消失,逃逸的粒子也被称为霍金辐射。

但是,蒸发黑洞是一个赤裸裸的奇点——因为视界并没有完全覆盖黑洞。然而,对于那些质量大于三个太阳的黑洞来说,可以释放的霍金辐射太弱了。然而,对于一些诞生于宇宙之初的小质量初级黑洞来说,它们的视界太小,在宇宙的漫长历史中已经蒸发了。目前,我们还没有发现任何黑洞蒸发的证据。

此外,数学家和哲学家仍在争论宇宙审查是否应该限制广义相对论中“合理”的时空范围。与此同时,一些人使用计算机来求解爱因斯坦方程,以发现极端条件下的裸奇点。

在最近一次关于哈佛大学黑洞倡议的演讲中,一位哲学家指出,宇宙审查理论是现代广义相对论研究中最令人兴奋的问题。在他演讲的最后,我只有一个问题:“数学和哲学在这里有争议,但是天文学家可以在宇宙中寻找赤裸裸的奇点的存在。如果我们观察这些赤裸裸的奇点,宇宙审查制度还需要存在吗?”

我认为我们应该珍惜这个发现它们的机会,探索新的物理领域,而不是那些避免赤裸裸的奇点的理论。当然,就这一点而言,关键在于“什么是裸奇点”,毕竟我们还不知道答案。考虑到奇点处时空的巨大曲率,裸露的奇点可能处于强大的能量火球中,并释放出高能粒子。我们观察过这个火球吗?有没有这样一种可能性,我们已经探测到了裸奇点,但是误解了它的性质,因此没有认识到它?

在记录中,一个这样的火球是伽马射线爆发。这种天文现象通常伴随着黑洞的形成或中子星的碰撞,但它并没有与裸奇点联系起来。除此之外的另一种可能性是快速的无线电爆发,但是我们仍然不知道它是什么。

我们需要擦亮眼睛。如果可以用望远镜探测到裸露的奇点,这将是探测量子引力理论如弦理论的绝佳机会。然而,问题是现有的量子引力理论不能预测裸奇点会是什么样子。因此,观察者应该在这个方向上起带头作用,包括寻找大爆炸释放的引力波,这是一个赤裸裸的奇点,尽管这非常具有挑战性。

作者:亚伯拉罕·勒布是哈佛大学天文学院的院长,哈佛大学黑洞计划的创始人,哈佛-史密森纳天体物理理论和计算研究所所长。他的主要研究领域是黑洞、宇宙的未来和外星生命。

原始链接:https://blogs . scientific American . com/observations/in-search-of-下体奇点/

原标题:我们探测到“裸奇点”了吗?

标题:人类想探测到“裸奇点”了,还要多久?

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