奇點能存在于黑洞之外?如果存在「裸奇點」,會違反宇宙規律嗎?

天空之城 2022/05/17 檢舉 我要評論

在宇宙中,目前我們認為最恐怖、最具破壞力的天體,無疑是黑洞莫屬了,當然黑洞也是我們了解和認知最為膚淺的天體。當一個物體進入黑洞的事件視界以后,黑洞將毫不留情地將這個物體吞噬。

黑洞的奇點是「無解」的?

截至目前,我們雖然正式發現和證實了黑洞,但是對于黑洞內部是什麼樣子,根本一無所知。相當于在黑洞內部,我們所有已知的物理理論都不適用了,哪怕是引力理論以及愛因斯坦的廣義相對論,這些物理學領域的基石,在黑洞的奇點處都失敗了。在黑洞的奇點之上,引力場的行為將變得不可預測。

拿愛因斯坦的廣義相對論來說,雖然它是指導和引領現代物理和天文學發展的基礎和準則,但它也一個硬傷,那就是解釋不了奇點。根據假設,奇點是一個質量無限大、體積無限小的點,但很可惜,利用廣義相對論公式,根本無法預測出質量無限大的物體,也就是說引力場方程并不能描述究竟發生了什麼。因此,奇點對于廣義相對論來說是無解的,愛因斯坦窮極一生也沒有將奇點攻克下來。

為什麼我們無法了解黑洞內部的情形?

因為黑洞內部特別是奇點,所有物質都會因強大的引力作用而被壓縮、拉扯進中心的奇點,甚至連分子、原子都不可能在黑洞內部存在,而且由于強大的引力,連光線都沒法從黑洞內部逃逸出來,所以從外界是不可能接收到有關黑洞的任何信息的,就像黑洞在宇宙中隱身了一樣。

我們如果換一種思路,是不是宇宙中存在著一種機制,對黑洞起到一種保護作用,使得外界無法對其進行認知和預測呢?當然這種思路并非一時興起,在物理學領域,這其實是一個困擾著科學家們幾十年的一個難題。

早在1969年,就有一位叫彭羅斯的英國物理學家,提出了一種十分瘋狂的假說,即宇宙審查假說,說的是在我們所在的宇宙中,存在著一種審查機制,如果宇宙中有任何不符合宇宙法則的現象,或者能夠破壞宇宙穩定發展的東西,這個審查機制就會起作用,就會讓試圖探查的觀察者看不到想要知道的東西。黑洞,正好符合這個審查機制的邏輯。

黑洞的破壞力,在我們的傳統認知中,勢必是宇宙中最為強力的存在,也是讓我們深感毫無抵抗力的「魔咒」。不過慶幸的是,奇點(除了宇宙剛開始形成的大爆炸假說)都隱藏在黑洞的內部,我們不用擔心它會對外部世界會產生什麼樣的奇異影響。然而,假如奇點能夠出現在黑洞之外呢?

「裸奇點」的假設

這個假設引申出來的問題,我們自然很難回答,影響可能是非常巨大的,但是我們截至目前也沒有完整的理論,來描述黑洞奇點上所發生的任何事情,更無法想象游離在黑洞之外還能不能存在奇點。而且,如果真的存在「裸」奇點,是否就意味著廣義相對論失去了對它的預測能力了呢?

提到「裸」奇點的假設,仍然離不開提出宇宙審查機制的彭羅斯,看來這位科學家也是思想非常活躍、喜愛遐想的「另類」呀。不過,話雖這樣說,這位科學家還真的了不起,他一生都致力于黑洞和奇點的數學研究,并且還在2020年獲得了諾貝爾物理學獎,不佩服真的不行。

在廣義相對論提出以后,相當長時間內,沒有人提出奇點可以脫離黑洞存在的信服性證據,只能在黑洞中被「隱藏」起來。不過,彭羅斯另辟蹊徑,它將所有與黑洞和奇點有關聯的線索都拼湊起來,在此基礎上提出了一個有根據的猜測,即「裸」奇點猜想,它是建立在宇宙審查機制基礎之上的,這個猜測有一個前提,那就是必須通過某種數學方式計算出來,然后才能通過宇宙審查機制來驗證「裸」奇點是否真的存在。

雖然目前有一些研究人員提出了發現「裸」奇點的方法,也就是與黑洞分離開來進行可觀察的跡象,但是天文學家們至今也沒有找到確切的證據,因此50多年來,還沒有人證明或者反駁彭羅斯的猜想。

2010年,物理學家Luis Lehner 和 Frans Pretorius,利用計算機模型進行模擬黑洞及其奇點,結果發現在黑洞的外表面,存在一定的幾率會發生「碎裂」并且留下「裸」奇點,這種黑洞的「碎裂」,是由格雷戈里-拉弗朗姆不穩定性所形成的,只不過這種不穩定性,需要且只能發生在具有三個以上空間維度的宇宙中。

然而,在廣義相對論所描述的宇宙中,都是只有三個維度,所以通過廣義相對論來揭示這種黑洞的不穩定性,應該是不可能實現的。但通過計算機模擬的方式,就可以跳過這個局限,比如,當兩個黑洞碰撞時,就會出現「裸」奇點游離在黑洞之外。

這種通過計算機模擬的方法,或許會為黑洞的形成和演化規律提供一種新的渠道,同時還或許會對宇宙審查機制是否成立提供一個全新的思路,那就是「裸」奇點是否真的存在于具有額外維度的宇宙中?具有額外維度的宇宙到底是什麼樣的?它和平行時空是否具有關聯性?等等,這樣的問題勢必會油然產生于我們的腦海中。

宇宙是廣袤的,我們對宇宙的認知還遠遠不夠,慶幸的是,我們一直在行走和探索的路上。

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