2020年05月06日环球科学

撰文：亚伯拉罕·洛布（Abraham Loeb）

翻译：张二七

黑洞中心有一个奇点，这里时空曲率极大，已知的物理定律普遍失效。但如果奇点并未被囚禁在黑洞内部，这些“裸奇点”就可能对外面的世界产生无法预测的影响。过去一些理论试图规避裸奇点的存在，但在这篇文章中，哈佛大学天文学院院长，哈佛大学黑洞计划的创始人Avi Loeb却提出，我们可能已经探测到了裸奇点，只是没有意识到。或许未来的理论会允许裸奇点的存在。

超大质量黑洞模拟图（图片来源：NASA， ESA， and D。 Coe， J。 Anderson， and R。 van der Marel （STScI））

超大质量黑洞模拟图（图片来源：NASA， ESA， and D。 Coe， J。 Anderson， and R。 van der Marel （STScI））

黑洞周围连光都无法逃逸的区域被称为事件视界。就像那句关于拉斯维加斯的俚语（在拉斯维加斯发生的，都会留在拉斯维加斯，whatever happens in Vegas stays in Vegas）一样，在事件视界之内发生的事情，也会留在事件视界之内，任何光、物质或是信息都无法从此逃脱。

黑洞的事件视界不仅困住了这些信息，还避免了宇宙中物理定律广泛失效的情况出现。所有进入黑洞的物质的最终归宿都是奇点，在这里，时空曲率极大，爱因斯坦广义相对论方程失效。幸运的是，事件视界“包住”了奇点，从而将我们所在的宇宙空间与其分隔开来。因此，尽管现有理论仍无法解释奇点处发生了什么，进入黑洞的物质去了哪，但这并不影响我们对事件视界之外的宇宙的认知。

但是，有没有可能存在不被视界包裹的，“赤裸”的奇点——“裸奇点”呢。如果裸奇点真的存在，那么在我们所处的时空中，现有的物理定律也将失效，我们将失去利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（Roger Penrose）在1969年提出了宇宙监督理论（the cosmic censorship hypothesis），这一理论推测，宇宙中存在一位“监督”，它禁止裸奇点的出现。如果这一理论成立，那么那些广义相对论失效的区域就都被限制住了，在这些区域之外，广义相对论仍然有效。

不过，宇宙监督的存在真的是必要的吗？我们知道，爱因斯坦的广义相对论方程组存在缺陷，它缺少了现代量子力学中的一个重要变量。虽然目前仍然缺少完整的量子引力理论，但未来这个理论或许就能够解决奇点的问题，从而提供一个可以解释整个时空的理论。在这个理论中，也许并不需要宇宙监督的存在。

事实上，我们目前已经得到了一个有力线索，证明很可能的确存在这样一个理论。1974年，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）做出了一项重大预言：黑洞会蒸发。根据量子理论，成对的“虚粒子”随时随地都有可能出现。通常情况下，这样一对由正反粒子组成的虚粒子对会迅速湮灭，但如果虚粒子对产生在视界边缘附近，或许会导致一个粒子出现在视界内，另一个出现在视界外，而外面的那个粒子可以带着能量逃逸。粒子的逃逸会让黑洞不断收缩至彻底消失，而那些逃逸的粒子也被称为“霍金辐射”。

但如此一来，正在蒸发的黑洞就是一个裸奇点了——因为事件视界未能完整覆盖这个黑洞。然而，对于那些质量大于三个太阳的黑洞，能释放出的霍金辐射太弱了。而对于一些在宇宙初期诞生的小质量原初黑洞来说，它们的视界过小，因此已经在漫长的宇宙历史中蒸发殆尽了。目前，我们尚未探测到黑洞蒸发的证据。

除此之外，数学家和哲学家还在争论，广义相对论中宇宙监督是否应当限制“合理的”时空范围。与此同时，也有人利用计算机解爱因斯坦方程组，来寻找极端条件下的裸奇点。

在最近哈佛大学黑洞计划（ Black Hole Initiative）的一场报告会上，一位哲学家提出，宇宙监督理论是现代广义相对论研究中最令人兴奋的问题。在他演讲结束后，我只产生了一个问题：“数学和哲学在此争论不止，但天文学家却能够在宇宙中搜寻裸奇点的存在。如果我们观测到了这些裸奇点，那还需要宇宙监督的存在吗？”

我认为，相比那些避开裸奇点的理论，我们更应当珍惜这个找到它们，并且借此探索新的物理学领域的机会。当然，就这一点而言，其关键之处在于“裸奇点是什么样子的”，毕竟我们还并不知道答案。考虑到奇点处极大的时空曲率，裸奇点或许会在一个强大的能量火球内，并会释放高能粒子。我们是否曾观测这种火球呢？有没有这样一种可能，我们已经探测到了裸奇点，只是误解了它的性质，因此没能认出来？

在记录中，一种这样的火球就是伽马射线暴。这一天文现象通常伴随着黑洞的形成或是中子星的碰撞，但并未将它与裸奇点联系起来。除此之外的另一种可能还有快速射电暴，不过我们仍不知道它究竟是什么。

我们需要擦亮双眼。如果真能用望远镜探测到裸奇点的话，这将是一个检测弦理论等量子引力理论的绝佳机会。然而问题在于，现有的各种量子引力理论并未预测裸奇点看起来会是怎么样的。因此，观测者应当做这一方向的领头羊，包括搜寻大爆炸这个裸奇点释放出的引力波，尽管这非常有挑战性。

本文作者：亚伯拉罕·洛布（Abraham Loeb）是哈佛大学天文学院的院长，哈佛大学黑洞计划的创办负责人，以及哈佛-史密森天体物理中心理论与计算研究所的主任。他主要研究领域是黑洞、宇宙的未来及外星生命等。

哈佛天文学院院长：我们可能已经探测到了裸奇点