• 中文
  • 注册
  • 天体物理学 天体物理学 关注:170 内容:1275

    黑洞内部是什么样?数学家驳斥关于拯救黑洞的猜想

  • 查看作者
  • 打赏作者
  • 当前位置: 博科园 > 天文学 > 天体物理学 > 正文
    • 1
    • 天体物理学
    • Lv.8碳纳米管
      VIP2
      居里夫人

      数学家反驳了著名的宇宙审查猜想,研究回答了广义相对论研究中最重要的问题之一,并改变了我们对时空的看法。在这一猜想被提出近40年之后,数学家们已经解决了广义相对论研究中最深奥的问题之一。去年发布的一篇论文中,数学家Mihalis Dafermos和Jonathan Luk已经证明,著名的宇宙审查猜想(黑洞奇怪的内部工作原理)是错误的。

      黑洞内部是什么样?数学家驳斥关于拯救黑洞的猜想

      图片:Maciej Rebiszfor Quanta Magazine

      博科园-科学科普:普林斯顿大学的数学家伊格尔·罗德尼亚斯基说:我个人认为这是一个巨大的成就,并且对广义相对论的理解有了质的飞跃。1979年名噪一时的物理学家罗杰·彭罗斯提出了著名的宇宙审查猜想,这是一种摆脱“陷阱”的方法。几十年来,阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论一直是对宇宙中大规模现象最好的科学描述。然而20世纪60年代的数学进步表明,爱因斯坦的方程在黑洞应用上出现了一些纰漏。

      彭罗斯认为,如果他的宇宙审查猜想是正确的,那么这种缺乏可预测性就会被视为一种数学上的新奇,而不是对物质世界中肯的陈述。普林斯顿大学的数学家达弗莫斯说:彭罗斯提出了一个猜想,基本上是想让这种不良行为消失。这项新工作使彭罗斯的梦想破灭了,同时,他通过其他方式实现了他的宏图,表明他对黑洞内部物理学的直觉是正确的。

      相对论的过失

      在经典物理学中,宇宙是可以预测的:如果知道支配物理系统的定律,并且知道它的初始状态,就应该能据此无限地推演它的发展直到未来。无论用牛顿定律来预测台球的未来位置,还是麦克斯韦方程描述电磁场,或者是爱因斯坦的广义相对论来预测时空形状的演变,这些原理都是成立的。这是所有经典物理学回归牛顿力学的基本原理,苏黎世ETH的数学家、研究爱因斯坦方程的主要人物Demetrios Christodoulou说:可以从最初的数据决定发展演化。

      但在20世纪60年代,数学家和物理学家注意到,当模拟旋转黑洞内部的时空演化时,爱因斯坦场方程(这是广义相对论理论的核心)出现了一些问题。要想知道哪里出了问题,就必须模拟自己掉进黑洞里的场景。首先穿过视界,没有返回点(尽管对你来说它看起来就像普通的空间),在这里,爱因斯坦的方程仍在发挥作用,为时空未来如何演化提供了一个单一的、确定性的预测。

      黑洞内部是什么样?数学家驳斥关于拯救黑洞的猜想

      图片:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

      但是当继续进入黑洞时,最终会通过另一个视界,即柯西视界。这将会让事情变得复杂起来。爱因斯坦的方程式起始宣称许多不同的时空结构可以渐渐显现出来。尽管它们各不相同,但它们都满足方程成立的条件。然而这个理论不能告诉我们哪个才是正确选项,对于物理理论来说,这是个基本的过错。加拿大盖尔弗大学的物理学家艾瑞克·波森说:在广义相对论中发现的可预测性功能丧失是令人非常不安的。罗杰·彭罗斯提出了著名的宇宙审查猜想来恢复爱因斯坦方程的可预测性功能。猜想说到柯西世界是数学思想的虚构。

      它可能存在于宇宙中只包含一个旋转黑洞的理想化场景中,但不可能在真实意义上存在。彭罗斯认为由于柯西视界并不稳定,任何通过它的引力波都会将其分解成一个奇点:一个将时空分割的无限密度区域。实际上宇宙是随着这些波上下起伏的,柯西视界永远不会在自然环境中出现。 因此,问及柯西视界以外的时空发生了什么是个荒谬的问题,在这种情况下广义相对论中所认为的时空不再存在,达弗莫斯说:这为我们走出这个哲学难题指明了道路。 然而,这项新的研究表明,在柯西视界上建立时空界限比彭罗斯所想象的要小得多。

      拯救黑洞

      斯坦福大学的数学家达弗莫斯和卢克证明了柯西视界的情况并不是那么简单。他们的工作微妙地驳斥了彭罗斯提出的著名宇宙审查猜想理论,但这并不是完全否认彭罗斯的学术精神。 达弗莫斯研究生院的顾问克里斯托杜卢十年前建立的方法表明柯西视界线确实可以形成一个奇点,但不是彭罗斯预期的那种。在达弗莫斯和卢克的作品中,发现了一个弱的“光似”奇点,在那里彭罗斯期望有一个强的“类空间”奇点出现。

      这种较弱的奇点在时空结构上起到了拉动作用,但并没有破坏它。达菲莫斯说:我们的定理意味着,穿越柯西视界的观察者不会被潮汐力撕裂,但可能会有点“绷紧”。因为在柯西视界上形成的奇点事实上比著名的宇宙审查猜想所预测的更为温和,所以广义相对论不能立即预测其内部发生的事情。剑桥大学的物理学家Harvey Reall说:定义柯西视界仍然是有意义的,如果你愿意,就可以不断地扩展时空。达弗莫斯和卢克证明了时空可以扩展到柯西视界之外,另外,从同一个起点,视界可以以任何数量的方式延伸。

      黑洞内部是什么样?数学家驳斥关于拯救黑洞的猜想

      图为电影《星际穿越》中的黑洞

      达弗莫斯说:过去的视界有很多这样的扩展供人们参考,因此没有理由去做其他选择。然而这项研究的微妙之处:这些非唯一的时空扩展并不意味着爱因斯坦方程在视界之外失效。爱因斯坦方程是通过量化时空随时间的变化而有效的。在数学语言中,它需要一种初始时空结构的导数。为了能够得到导数,时空必须足够“平滑”。达弗莫斯和卢克表示:当时空存在于柯西视界之外时,这个扩展的时空无法满足爱因斯坦方程。

      因此,即使证明著名的宇宙审查猜想是错误的,这些方程仍然可以避免不寻常解决方案的尴尬。研究柯西视界是有意义的,然而不能继续超越它作为爱因斯坦方程的一种解决方案。雷尔说:他们提供了相当有说服力的证据,我认为这是真的。你可以认为这个结果是一次令人失望的妥协。即使你可以将时空扩展到柯西视界之外,爱因斯坦的方程也无法解决这一问题,但正是这一事实使达弗莫斯和卢克的作品如此有趣。罗德尼亚斯基说:这是人们真正发现爱因斯坦方程中的一个新现象。


      博科园|文:Kevin Hartnett/Quanta magazine

      博科园|科学、科技、科研、科普

    • 生成海报
    • Lv.14蚂蚁
      VIP4
      伽利略
      真好
      回复

      请登录之后再进行评论

      登录
      博科园居里夫人
      官方认证:博科园官方账号
      关注7 粉丝182 喜欢115内容1297
      地球·中国
    • 实时动态
    • 做任务
    • 偏好设置
    • 帖子间隔 侧栏位置:
      关闭窗口
      下载海报