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主题:探秘“黑洞”的中心奇点:科学定律的失效之地(图)

发表于2009-03-23
 

每一个黑洞的中心都有一个奇点

 

   每一个黑洞的中心都有一个奇点:在那里,密度无穷大、引力无穷大,所有已知的物理规律统统崩溃,科学完全不起作用。

 

   物理学家一直认为——或者说希望奇点永远被囚禁在黑洞内部,这样就不会对外面的世界产生不可预测的影响。然而,他们或许都错了:大质量恒星的引力坍缩或许最终不会形成黑洞,而是产生一个直接暴露在外面的裸奇点。

 

   现代科学给这个世界带来了许多奇思异想,最古怪的一条,无疑是大质量恒星在“生命”演化到尽头时所要面对的终极命运:一颗大质量恒星在持续“燃烧”数百万年后耗尽燃料,无法继续与自身引力相抗衡,不可避免地踏上毁灭性的坍缩之路。像太阳这样的中等质量恒星,坍缩到一定程度便会稳定下来,成为体积更小的白矮星;但如果一颗恒星的质量足够大,它的引力就会压倒一切企图阻止坍缩的力量——这颗直径数百万千米的恒星会一直坍缩,最终比字母“i”上那个小点还要小。

 

   大多数物理学家和天文学家认为,这样的坍缩最终会形成黑洞——一种引力超强的天体,没有任何东西能从它的周边区域中逃脱。一个黑洞由两部分组成:核心处是一个奇点(singularity),那颗恒星上的所有物质都被压缩在这个无穷小的点中;围绕在奇点周围的则是一个不可能从中逃脱的空间区域,它的边界被称为“事件视界”(event horizon)。任何东西一旦落入事件视界,就失去了逃出生天的所有希望,它们发出的任何光线都被囚禁在视界之中,因此外界观测者永远不可能再看到它们。这些东西最终也都会被挤入奇点。

 

   但事实果真如此吗?已知的物理规律可以肯定,这种坍缩会形成奇点,但事件视界是否随之形成,至今仍没有明确答案。大多数物理学家默认“事件视界必然产生”的假设,仅仅是因为视界为科学提供了一块极具诱惑力的“遮羞布”。物理学家还没弄明白,奇点处到底发生了什么:物质受到挤压,然后变成什么?事件视界把奇点隐藏起来,也掩饰了我们知识结构中的不足。奇点处或许上演着各种科学上未知的现象,但它们对外部世界不会产生任何影响。这样,天文学家在绘制行星及恒星运行轨道的时候,才可以心安理得地运用物理学标准定律,而不用去考虑奇点可能带来的不确定性——不论黑洞中发生了什么,都只能被囚禁于黑洞内部。

 

   越来越多的研究者对这个主流假设提出了质疑。研究人员已经发现了多种恒星坍缩模型,事件视界在这些模型中根本不会形成,因此奇点会持久暴露于我们的视线之中。物理学家把这样的奇点称为裸奇点(naked singularity)。深入黑洞内部去探查一个奇点,是一条名副其实的“不归路”,然而从理论上讲,你可以随心所欲地靠近一个奇点,详加探查后再平安返回,讲述你的冒险经历。

 

   如果裸奇点确实存在,那么天体物理学和基础物理学的各个方面,都会遭到巨大的冲击。没有了视界的遮蔽,发生在奇点附近的神秘现象就可能影响外部世界。裸奇点或许可以解释天文学家已经观测到的不明高能现象,或许还能提供一个天然实验室,让物理学家探索时空的最精细结构。

 

   宇宙监察员

 

   科学家曾经认为,事件视界会是黑洞比较容易理解的那一部分。奇点显然是不可思议的——引力在那里变得无穷大,已知物理规律在那里全部失效。根据目前物理学家对于引力的理解(即爱因斯坦的广义相对论),一颗大质量恒星在坍缩过程中必然产生奇点。广义相对论并没有考虑对微观物体十分重要的量子效应,这些效应大概会在关键时刻发挥作用,阻止引力强度真正变成无穷大。不过物理学家仍在排除万难,努力发展解释奇点所需的量子引力理论。

 

   相比之下,发生在奇点周围时空区域中的现象似乎应当更容易理解。恒星坍缩形成的事件视界直径可达好几千米,远远大于量子效应发挥作用的典型尺度。假设自然界中不存在新的作用力来插手此事,事件视界就应该完全由一种理论来支配——这就是基本原理早已被了解透彻,并且经受住了90多年观测检验的广义相对论。

 

   尽管如此,把广义相对论运用于恒星坍缩仍是一项令人望而却步的艰巨任务。爱因斯坦引力方程之复杂是出了名的,为了求出这些方程的解,物理学家必须做一些简化假设。20世纪30年代末,美国物理学家J·罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer)和哈特兰·S·斯奈德(Hartland S. Snyder)进行了初步尝试,印度物理学家B·达特(B. Datt)也对此进行了独立研究。为了简化方程,他们只考虑形状为完美球状的恒星,假设这些恒星由密度均匀的气体构成,并且忽略气体压强。他们发现在这种理想化的恒星坍缩过程中,恒星表面的引力逐渐增强,最终大到足以囚禁所有的光和物质,从而形成一个事件视界。这颗恒星变得无法再被外界观测者看到,不久后便直接坍缩成一个奇点。

 

   真正的恒星当然要复杂得多:它们的密度并不均匀,内部气体会产生压强,形状也可能多种多样。任何一颗质量足够大的恒星坍缩后都会成为一个黑洞吗?1969年,英国牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提出,答案应该是肯定的。他猜测,在一颗恒星的坍缩过程中如果产生一个奇点,就必然会有一个事件视界随之形成。大自然禁止我们看见任何一个奇点,因为总是会有一个视界将它遮蔽起来。彭罗斯的猜测被学术界称为“宇宙监察假设”(cosmic censorship hypothesis)。这只是一个猜测,却成为整个现代黑洞研究大厦的基石。物理学家希望,我们能够像证明奇点不可避免那样,用同样严格的数学方法来证明宇宙监察假设。

 

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