换一个宇宙，你可以看见黑洞内部的秘密
图片来源：Kenn brown Mondolithic Studios
我们的宇宙中存在着一些物理学定律失效的地方，这就是所谓的“奇点”。为了避免奇点上发生的无法解释的现象威胁到现有的物理学，科学家们猜想，奇点只能被包裹在黑洞内部，永远不能被观测到。然而有科学家发现，黑洞在一些特别的过程中会将奇点暴露出来。不过，这样的过程发生我们所生活的宇宙之外……
撰文 | 布伦丹·福斯特（Brendan Foster）
翻译 | 白德凡
黑洞常被描述成一种危险而充满破坏力的天体，它不会放走任何落入其中的东西。但假如黑洞也有保护性的一面呢？也许它把宇宙中我们无法理解的地方藏了起来，以免我们遭受不可预测的效应？这个想法听起来有些轻率，却是一个持续数十年的物理学谜题——宇宙监督假设（cosmic censorship hypothesis）——的核心观点。
在黑洞内部，我们已知的物理学走到了尽头。当前的引力理论，即爱因斯坦的广义相对论，将在一些时空点上失效，这些点被称为“奇点”（singularity）。根据爱因斯坦方程，引力场在奇点上的表现不可预测，引力通常会增大到无穷大，以至于方程也无法描述这里会发生什么。
物理学的基本原则要求现实世界的物理规律在黑洞内部继续发挥作用，所以科学家倾向于将奇点上数学的崩溃解释为一些未知的物理规律在起作用，其中可能涉及量子力学。但是，在找到统一引力和量子物理学的理论之前，没人能知道在奇点上究竟发生了什么。
值得庆幸的是，奇点隐藏在黑洞内部，我们不必担心它们可能对外部世界产生离奇的影响。但是，如果奇点单独出现在黑洞外面，也就是成为“裸奇点”呢？那就可能影响巨大了。由于还没有一个完整的理论可以描述奇点上发生的事情，我们不能把广义相对论预测的结果当真。“裸奇点导致广义相对论失去了预测能力。”扬州大学物理学家王元君说，他研究过引力理论中奇点的性质。
自20世纪60年代起，英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）致力于黑洞和奇点的数学研究，他因此获得了2020年诺贝尔物理学奖。当时，没有人提出过任何令人信服的证据，证明广义相对论可以描述一个物理上合理的宇宙中的裸露奇点，因此奇点只能隐藏在黑洞内部。彭罗斯将线索拼凑起来，提出了一个虽未经严密证明，但有根据的猜想：广义相对论不会预测裸奇点存在，这个猜想被称为宇宙监督假设。数学上的崩溃不被允许，所以宇宙一定有某种方式避免裸奇点的存在。
在物理学家看来，宇宙监督假设是必不可少的，而且大多数物理学家假定它就是正确的。尽管已经有研究人员提出了识别裸奇点的方法，一些可观测迹象表明可以将裸奇点与黑洞区分开，但天文学家还没有看到任何确凿的证据。50多年过去了，没有人能证明或推翻彭罗斯的猜想。
在彭罗斯提出猜想后的最初几十年里，理论研究支持了宇宙监督假设。然而在2010年，物理学家路易斯·莱纳（Luis Lehner）和弗兰斯·比勒陀利乌斯（Frans Pretorius）通过计算机模拟发现，黑洞表面可以碎裂成很多块，留下一个裸露的奇点。这种碎裂过程通过一种名为“格雷戈里-拉弗拉姆不稳定性”（Gregory-Laflamme instability）的方式发生，而这种不稳定性只存在于空间有三个以上维度的宇宙中。换句话说，在我们由广义相对论所描述的三维宇宙中，通过这种方式获得裸奇点是不可行的。
尽管得到了否定的结果，但这项研究仍然有意义。以这个例子为起点，研究人员可以找一些类似的过程并发问：“我们的宇宙中会发生类似的事情吗？”如果答案是否定的，他们可以追问为什么不能发生。伦敦玛丽皇后大学的物理学家波·菲格拉斯（Pau Figueras）表示，这种思考方法并不能替代完整的证明过程，但仍具有说服力。“如果这个特定的不稳定性过程是打破宇宙监督的唯一方法，”他说，“而现实中的黑洞不会经历这个过程，那么这就提供了一种方法来证明彭罗斯的猜想在我们实际的时空中是正确的。”
莱纳和比勒陀利乌斯的研究结果激发了人们对宇宙监督假设的兴趣。据菲格拉斯介绍，该领域在过去十年中发展势头正旺，这主要得益于计算技术的进步，使得计算黑洞的演化以及黑洞破碎后奇点暴露的过程成为可能。“这不仅是因为20年前还不存在满足需求的计算机，”菲格拉斯说，“还因为我们过去不知道如何在计算机上模拟广义相对论，因此也不知道如何模拟黑洞。”菲格拉斯表示，现在的模拟结果表明，在有额外维度的宇宙中，裸奇点比预期的更常见。
菲格拉斯和他的同事已经证明，当黑洞碰撞时，裸奇点也可以出现。这样的碰撞甚至在我们的宇宙中也会发生。但研究人员发现，在我们的宇宙中，黑洞碰撞并不会产生相同的结果。碰撞之后，奇点仍被包裹在黑洞中。
宇宙监督假设的完整证明或结论性反驳仍然难以捉摸。然而，王元君说，无论这个猜想成立与否，对于大多数理论物理学家来说，这个谜题本身不再是主要的关注点。“关键是我们在这一过程中可以学到什么，获得什么见解，开发什么工具，”王元君补充道，“重要的不只是目的地，旅途也很重要。”
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