《中国土地》
物理学家们精确地计算出了黑洞的中心——奇点
来源：中国土地 【在线投稿】 栏目：综合新闻 时间：2021-12-01
黑洞内部奇点的性质就一直是个谜
1916年1月，在东线当兵的德国物理学家卡尔·史瓦西提出了广义相对论的第一个精确解，这是阿尔伯特·爱因斯坦此前提出的激进的引力理论。广义相对论把引力描绘成弯曲空间和时间的影响，而不是人们长期以来所理解的引力。史瓦西的解揭示了一个静止的物质球体周围时空的曲率。
奇怪的是，史瓦西注意到如果这个物质被限制在一个足够小的半径内，在中心会有一个无限曲率和密度的点，这就是一个奇点。
物理学中突然出现的无穷大通常会引起科学家们的恐慌，爱因斯坦在得知史瓦西的结果后，史瓦西自己也不敢相信这种物体真的存在。但从20世纪70年代开始，越来越多的证据表明，宇宙中存在大量这样的实体，这些实体就是黑洞，因为它们的引力太强，任何进入它们的东西都出不来，甚至光也出不来。从那时起，黑洞内部奇点的性质就一直是个谜。 哈佛大学黑洞计划(BHI)的一个研究小组在这个谜题上取得了重大进展。 保罗·切斯勒、拉梅什·纳拉扬和埃里克·库列尔探索了理论上的黑洞的内部性质，这些黑洞与天文学家研究的实际黑洞类似，试图确定黑洞内部存在何种奇点。 切斯勒解释说，奇点并不是数量真正无限的地方，而是“广义相对论崩溃的地方”。在这一点上，广义相对论被认为是让位给一个更精确的，但仍然未知的，量子尺度的重力描述。但是爱因斯坦的理论有三种不同的描述方式，导致了三种不同的可能的奇点。“知道广义相对论何时何地失效对了解它背后的(量子引力)理论很有帮助，”切斯勒说。
BHI小组建立在1963年，并且当年取得了一项重大的进展，当时数学家罗伊·克尔解出了一个旋转黑洞的爱因斯坦方程，这比史瓦西提出的情况更现实，因为几乎宇宙中的一切都在旋转。这个问题比史瓦西的更难，因为旋转的物体在中心有凸起，因此缺乏球面对称性。克尔的解决方案明确地描述了旋转黑洞外的区域，而不是黑洞内部。 克尔的黑洞仍然有些不切实际，因为它占据了一个没有物质的空间。BHI的研究人员意识到，这可能会使黑洞变得不稳定。即使是单个粒子的加入，也会极大地改变黑洞内部的时空几何结构。为了使他们的模型更真实、更稳定，他们在理论黑洞内和周围撒上了一种叫做“基本标量场”的特殊物质。虽然最初的克尔的解决方案关注的是一个“永恒的”黑洞，它一直存在，但在BHI的分析中，黑洞是由引力坍缩形成的，就像宇宙中大量存在的黑洞一样。
首先，切斯勒、纳拉扬和库列尔在一个带电的、不旋转的、球形黑洞上测试了他们的方法。 BHI研究小组的分析表明，这两种类型的黑洞都包含两种截然不同的奇点。黑洞被包裹在一个叫做事件视界的球体中：一旦物质或光线穿过这个无形的边界进入黑洞，它就无法逃脱。在视界内部，带电的静止和旋转的黑洞已知有第二个不返回的球面，称为内视界。切斯勒和他的同事们发现，对于他们所研究的黑洞，一个“零”奇点不可避免地在内部视界形成，这一发现与之前的结果一致。切斯勒解释说，在黑洞存在的大部分时间里，物质和辐射都可以通过这种奇点，但随着时间的推移，时空曲率呈指数增长，在无限的晚期变成无限。
物理学家们最想知道的是他们的准现实黑洞是否有一个中心奇点，这个事实只有在简单的史瓦西黑洞中才能确定。如果存在一个中心奇点，他们想确定它是“类空间”还是“类时间”。 什么是类空间，什么是类时间？ 这些术语源于这样一个事实：一旦粒子接近类空间奇点，就不可能在时间上向前演化出广义相对论方程。演化只能沿着空间方向进行。相反，接近类时间奇点的粒子不会被无情地吸进去，它仍然有一个可能的未来，因此可以在时间上向前移动，尽管它在空间上的位置是固定的。外部观察者无法看到类空间的奇点，因为光波总是向它们移动，永远不会出来。然而，光波可以从类时间的奇点中发出，使得外界可以看到它们。
物理学中突然出现的无穷大通常会引起科学家们的恐慌，爱因斯坦在得知史瓦西的结果后，史瓦西自己也不敢相信这种物体真的存在。但从20世纪70年代开始，越来越多的证据表明，宇宙中存在大量这样的实体，这些实体就是黑洞，因为它们的引力太强，任何进入它们的东西都出不来，甚至光也出不来。从那时起，黑洞内部奇点的性质就一直是个谜。 哈佛大学黑洞计划(BHI)的一个研究小组在这个谜题上取得了重大进展。 保罗·切斯勒、拉梅什·纳拉扬和埃里克·库列尔探索了理论上的黑洞的内部性质，这些黑洞与天文学家研究的实际黑洞类似，试图确定黑洞内部存在何种奇点。 切斯勒解释说，奇点并不是数量真正无限的地方，而是“广义相对论崩溃的地方”。在这一点上，广义相对论被认为是让位给一个更精确的，但仍然未知的，量子尺度的重力描述。但是爱因斯坦的理论有三种不同的描述方式，导致了三种不同的可能的奇点。“知道广义相对论何时何地失效对了解它背后的(量子引力)理论很有帮助，”切斯勒说。
BHI小组建立在1963年，并且当年取得了一项重大的进展，当时数学家罗伊·克尔解出了一个旋转黑洞的爱因斯坦方程，这比史瓦西提出的情况更现实，因为几乎宇宙中的一切都在旋转。这个问题比史瓦西的更难，因为旋转的物体在中心有凸起，因此缺乏球面对称性。克尔的解决方案明确地描述了旋转黑洞外的区域，而不是黑洞内部。 克尔的黑洞仍然有些不切实际，因为它占据了一个没有物质的空间。BHI的研究人员意识到，这可能会使黑洞变得不稳定。即使是单个粒子的加入，也会极大地改变黑洞内部的时空几何结构。为了使他们的模型更真实、更稳定，他们在理论黑洞内和周围撒上了一种叫做“基本标量场”的特殊物质。虽然最初的克尔的解决方案关注的是一个“永恒的”黑洞，它一直存在，但在BHI的分析中，黑洞是由引力坍缩形成的，就像宇宙中大量存在的黑洞一样。
首先，切斯勒、纳拉扬和库列尔在一个带电的、不旋转的、球形黑洞上测试了他们的方法。 BHI研究小组的分析表明，这两种类型的黑洞都包含两种截然不同的奇点。黑洞被包裹在一个叫做事件视界的球体中：一旦物质或光线穿过这个无形的边界进入黑洞，它就无法逃脱。在视界内部，带电的静止和旋转的黑洞已知有第二个不返回的球面，称为内视界。切斯勒和他的同事们发现，对于他们所研究的黑洞，一个“零”奇点不可避免地在内部视界形成，这一发现与之前的结果一致。切斯勒解释说，在黑洞存在的大部分时间里，物质和辐射都可以通过这种奇点，但随着时间的推移，时空曲率呈指数增长，在无限的晚期变成无限。
物理学家们最想知道的是他们的准现实黑洞是否有一个中心奇点，这个事实只有在简单的史瓦西黑洞中才能确定。如果存在一个中心奇点，他们想确定它是“类空间”还是“类时间”。 什么是类空间，什么是类时间？ 这些术语源于这样一个事实：一旦粒子接近类空间奇点，就不可能在时间上向前演化出广义相对论方程。演化只能沿着空间方向进行。相反，接近类时间奇点的粒子不会被无情地吸进去，它仍然有一个可能的未来，因此可以在时间上向前移动，尽管它在空间上的位置是固定的。外部观察者无法看到类空间的奇点，因为光波总是向它们移动，永远不会出来。然而，光波可以从类时间的奇点中发出，使得外界可以看到它们。
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