圖片來源：Kenn brown Mondolithic Studios

撰文 | 布倫丹·福斯特（Brendan Foster）

翻譯 | 白德凡

黑洞常被描述成一種危險而充滿破壞力的天體，它不會放走任何落入其中的東西。但假如黑洞也有保護性的一面呢？也許它把宇宙中我們無法理解的地方藏了起來，以免我們遭受不可預(yù)測的效應(yīng)？這個想法聽起來有些輕率，卻是一個持續(xù)數(shù)十年的物理學(xué)謎題——宇宙監(jiān)督假設(shè)（cosmic censorship hypothesis）——的核心觀點。

在黑洞內(nèi)部，我們已知的物理學(xué)走到了盡頭。當(dāng)前的引力理論，即愛因斯坦的廣義相對論，將在一些時空點上失效，這些點被稱為“奇點”（singularity）。根據(jù)愛因斯坦方程，引力場在奇點上的表現(xiàn)不可預(yù)測，引力通常會增大到無窮大，以至于方程也無法描述這里會發(fā)生什么。

物理學(xué)的基本原則要求現(xiàn)實世界的物理規(guī)律在黑洞內(nèi)部繼續(xù)發(fā)揮作用，所以科學(xué)家傾向于將奇點上數(shù)學(xué)的崩潰解釋為一些未知的物理規(guī)律在起作用，其中可能涉及量子力學(xué)。但是，在找到統(tǒng)一引力和量子物理學(xué)的理論之前，沒人能知道在奇點上究竟發(fā)生了什么。

值得慶幸的是，奇點隱藏在黑洞內(nèi)部，我們不必?fù)?dān)心它們可能對外部世界產(chǎn)生離奇的影響。但是，如果奇點單獨出現(xiàn)在黑洞外面，也就是成為“裸奇點”呢？那就可能影響巨大了。由于還沒有一個完整的理論可以描述奇點上發(fā)生的事情，我們不能把廣義相對論預(yù)測的結(jié)果當(dāng)真?！奥闫纥c導(dǎo)致廣義相對論失去了預(yù)測能力?！睋P州大學(xué)物理學(xué)家王元君說，他研究過引力理論中奇點的性質(zhì)。

自20世紀(jì)60年代起，英國物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）致力于黑洞和奇點的數(shù)學(xué)研究，他因此獲得了2020年諾貝爾物理學(xué)獎。當(dāng)時，沒有人提出過任何令人信服的證據(jù)，證明廣義相對論可以描述一個物理上合理的宇宙中的裸露奇點，因此奇點只能隱藏在黑洞內(nèi)部。彭羅斯將線索拼湊起來，提出了一個雖未經(jīng)嚴(yán)密證明，但有根據(jù)的猜想：廣義相對論不會預(yù)測裸奇點存在，這個猜想被稱為宇宙監(jiān)督假設(shè)。數(shù)學(xué)上的崩潰不被允許，所以宇宙一定有某種方式避免裸奇點的存在。

在物理學(xué)家看來，宇宙監(jiān)督假設(shè)是必不可少的，而且大多數(shù)物理學(xué)家假定它就是正確的。盡管已經(jīng)有研究人員提出了識別裸奇點的方法，一些可觀測跡象表明可以將裸奇點與黑洞區(qū)分開，但天文學(xué)家還沒有看到任何確鑿的證據(jù)。50多年過去了，沒有人能證明或推翻彭羅斯的猜想。

在彭羅斯提出猜想后的最初幾十年里，理論研究支持了宇宙監(jiān)督假設(shè)。然而在2010年，物理學(xué)家路易斯·萊納（Luis Lehner）和弗蘭斯·比勒陀利烏斯（Frans Pretorius）通過計算機模擬發(fā)現(xiàn)，黑洞表面可以碎裂成很多塊，留下一個裸露的奇點。這種碎裂過程通過一種名為“格雷戈里-拉弗拉姆不穩(wěn)定性”（Gregory-Laflamme instability）的方式發(fā)生，而這種不穩(wěn)定性只存在于空間有三個以上維度的宇宙中。換句話說，在我們由廣義相對論所描述的三維宇宙中，通過這種方式獲得裸奇點是不可行的。

盡管得到了否定的結(jié)果，但這項研究仍然有意義。以這個例子為起點，研究人員可以找一些類似的過程并發(fā)問：“我們的宇宙中會發(fā)生類似的事情嗎？”如果答案是否定的，他們可以追問為什么不能發(fā)生。倫敦瑪麗皇后大學(xué)的物理學(xué)家波·菲格拉斯（Pau Figueras）表示，這種思考方法并不能替代完整的證明過程，但仍具有說服力?！叭绻@個特定的不穩(wěn)定性過程是打破宇宙監(jiān)督的唯一方法，”他說，“而現(xiàn)實中的黑洞不會經(jīng)歷這個過程，那么這就提供了一種方法來證明彭羅斯的猜想在我們實際的時空中是正確的。”

萊納和比勒陀利烏斯的研究結(jié)果激發(fā)了人們對宇宙監(jiān)督假設(shè)的興趣。據(jù)菲格拉斯介紹，該領(lǐng)域在過去十年中發(fā)展勢頭正旺，這主要得益于計算技術(shù)的進步，使得計算黑洞的演化以及黑洞破碎后奇點暴露的過程成為可能?！斑@不僅是因為20年前還不存在滿足需求的計算機，”菲格拉斯說，“還因為我們過去不知道如何在計算機上模擬廣義相對論，因此也不知道如何模擬黑洞?！狈聘窭贡硎荆F(xiàn)在的模擬結(jié)果表明，在有額外維度的宇宙中，裸奇點比預(yù)期的更常見。

菲格拉斯和他的同事已經(jīng)證明，當(dāng)黑洞碰撞時，裸奇點也可以出現(xiàn)。這樣的碰撞甚至在我們的宇宙中也會發(fā)生。但研究人員發(fā)現(xiàn)，在我們的宇宙中，黑洞碰撞并不會產(chǎn)生相同的結(jié)果。碰撞之后，奇點仍被包裹在黑洞中。

宇宙監(jiān)督假設(shè)的完整證明或結(jié)論性反駁仍然難以捉摸。然而，王元君說，無論這個猜想成立與否，對于大多數(shù)理論物理學(xué)家來說，這個謎題本身不再是主要的關(guān)注點?！瓣P(guān)鍵是我們在這一過程中可以學(xué)到什么，獲得什么見解，開發(fā)什么工具，”王元君補充道，“重要的不只是目的地，旅途也很重要?！?/p>

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https://www./article/singularities-can-exist-outside-black-holes-in-other-universes/