亚洲精品无码aV专区最新_ 探秘黑洞中心奇點(diǎn)：科學(xué)定律失效之地（圖）

文章提供于 2009-3-19 23:14:42 (北京時(shí)間: 2009-3-20 11:14:42)
文章作者: Pankaj S. Joshi 文章譯者: 虞駿

　　每一個(gè)黑洞的中心都有一個(gè)奇點(diǎn)：在那里，密度無(wú)窮大、引力無(wú)窮大，所有已知的物理規律統統崩潰，科學(xué)完全不起作用。

　　物理學(xué)家一直認為——或者說(shuō)希望奇點(diǎn)永遠被囚禁在黑洞內部，這樣就不會(huì )對外面的世界產(chǎn)生不可預測的影響。然而，他們或許都錯了：大質(zhì)量恒星的引力坍縮或許最終不會(huì )形成黑洞，而是產(chǎn)生一個(gè)直接暴露在外面的裸奇點(diǎn)。

　　現代科學(xué)給這個(gè)世界帶來(lái)了許多奇思異想，最古怪的一條，無(wú)疑是大質(zhì)量恒星在“生命”演化到盡頭時(shí)所要面對的終極命運：一顆大質(zhì)量恒星在持續“燃燒”數百萬(wàn)年后耗盡燃料，無(wú)法繼續與自身引力相抗衡，不可避免地踏上毀滅性的坍縮之路。像太陽(yáng)這樣的中等質(zhì)量恒星，坍縮到一定程度便會(huì )穩定下來(lái)，成為體積更小的白矮星；但如果一顆恒星的質(zhì)量足夠大，它的引力就會(huì )壓倒一切企圖阻止坍縮的力量——這顆直徑數百萬(wàn)千米的恒星會(huì )一直坍縮，最終比字母“i”上那個(gè)小點(diǎn)還要小。

　　大多數物理學(xué)家和天文學(xué)家認為，這樣的坍縮最終會(huì )形成黑洞—— 一種引力超強的天體，沒(méi)有任何東西能從它的周邊區域中逃脫。一個(gè)黑洞由兩部分組成：核心處是一個(gè)奇點(diǎn)(singularity)，那顆恒星上的所有物質(zhì)都被壓縮在這個(gè)無(wú)窮小的點(diǎn)中；圍繞在奇點(diǎn)周?chē)膭t是一個(gè)不可能從中逃脫的空間區域，它的邊界被稱(chēng)為“事件視界”(event horizon)。任何東西一旦落入事件視界，就失去了逃出生天的所有希望，它們發(fā)出的任何光線(xiàn)都被囚禁在視界之中，因此外界觀(guān)測者永遠不可能再看到它們。這些東西最終也都會(huì )被擠入奇點(diǎn)。

　　但事實(shí)果真如此嗎？已知的物理規律可以肯定，這種坍縮會(huì )形成奇點(diǎn)，但事件視界是否隨之形成，至今仍沒(méi)有明確答案。大多數物理學(xué)家默認“事件視界必然產(chǎn)生”的假設，僅僅是因為視界為科學(xué)提供了一塊極具誘惑力的“遮羞布”。物理學(xué)家還沒(méi)弄明白，奇點(diǎn)處到底發(fā)生了什么：物質(zhì)受到擠壓，然后變成什么？事件視界把奇點(diǎn)隱藏起來(lái)，也掩飾了我們知識結構中的不足。奇點(diǎn)處或許上演著(zhù)各種科學(xué)上未知的現象，但它們對外部世界不會(huì )產(chǎn)生任何影響。這樣，天文學(xué)家在繪制行星及恒星運行軌道的時(shí)候，才可以心安理得地運用物理學(xué)標準定律，而不用去考慮奇點(diǎn)可能帶來(lái)的不確定性——不論黑洞中發(fā)生了什么，都只能被囚禁于黑洞內部。

　　越來(lái)越多的研究者對這個(gè)主流假設提出了質(zhì)疑。研究人員已經(jīng)發(fā)現了多種恒星坍縮模型，事件視界在這些模型中根本不會(huì )形成，因此奇點(diǎn)會(huì )持久暴露于我們的視線(xiàn)之中。物理學(xué)家把這樣的奇點(diǎn)稱(chēng)為裸奇點(diǎn)(naked singularity)。深入黑洞內部去探查一個(gè)奇點(diǎn)，是一條名副其實(shí)的“不歸路”，然而從理論上講，你可以隨心所欲地靠近一個(gè)奇點(diǎn)，詳加探查后再平安返回，講述你的冒險經(jīng)歷。

　　如果裸奇點(diǎn)確實(shí)存在，那么天體物理學(xué)和基礎物理學(xué)的各個(gè)方面，都會(huì )遭到巨大的沖擊。沒(méi)有了視界的遮蔽，發(fā)生在奇點(diǎn)附近的神秘現象就可能影響外部世界。裸奇點(diǎn)或許可以解釋天文學(xué)家已經(jīng)觀(guān)測到的不明高能現象，或許還能提供一個(gè)天然實(shí)驗室，讓物理學(xué)家探索時(shí)空的最精細結構。

《環(huán)球科學(xué)》雜志系《科學(xué)美國人》雜志中文版

　　宇宙監察員

　　科學(xué)家曾經(jīng)認為，事件視界會(huì )是黑洞比較容易理解的那一部分。奇點(diǎn)顯然是不可思議的——引力在那里變得無(wú)窮大，已知物理規律在那里全部失效。根據目前物理學(xué)家對于引力的理解(即愛(ài)因斯坦的廣義相對論)，一顆大質(zhì)量恒星在坍縮過(guò)程中必然產(chǎn)生奇點(diǎn)。廣義相對論并沒(méi)有考慮對微觀(guān)物體十分重要的量子效應，這些效應大概會(huì )在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮作用，阻止引力強度真正變成無(wú)窮大。不過(guò)物理學(xué)家仍在排除萬(wàn)難，努力發(fā)展解釋奇點(diǎn)所需的量子引力理論。

　　相比之下，發(fā)生在奇點(diǎn)周?chē)鷷r(shí)空區域中的現象似乎應當更容易理解。恒星坍縮形成的事件視界直徑可達好幾千米，遠遠大于量子效應發(fā)揮作用的典型尺度。假設自然界中不存在新的作用力來(lái)插手此事，事件視界就應該完全由一種理論來(lái)支配——這就是基本原理早已被了解透徹，并且經(jīng)受住了90多年觀(guān)測檢驗的廣義相對論。

　　盡管如此，把廣義相對論運用于恒星坍縮仍是一項令人望而卻步的艱巨任務(wù)。愛(ài)因斯坦引力方程之復雜是出了名的，為了求出這些方程的解，物理學(xué)家必須做一些簡(jiǎn)化假設。20世紀30年代末，美國物理學(xué)家J·羅伯特·奧本海默(J. Robert Oppenheimer)和哈特蘭·S·斯奈德(Hartland S. Snyder)進(jìn)行了初步嘗試，印度物理學(xué)家B·達特(B. Datt)也對此進(jìn)行了獨立研究。為了簡(jiǎn)化方程，他們只考慮形狀為完美球狀的恒星，假設這些恒星由密度均勻的氣體構成，并且忽略氣體壓強。他們發(fā)現在這種理想化的恒星坍縮過(guò)程中，恒星表面的引力逐漸增強，最終大到足以囚禁所有的光和物質(zhì)，從而形成一個(gè)事件視界。這顆恒星變得無(wú)法再被外界觀(guān)測者看到，不久后便直接坍縮成一個(gè)奇點(diǎn)。

　　真正的恒星當然要復雜得多：它們的密度并不均勻，內部氣體會(huì )產(chǎn)生壓強，形狀也可能多種多樣。任何一顆質(zhì)量足夠大的恒星坍縮后都會(huì )成為一個(gè)黑洞嗎？1969年，英國牛津大學(xué)的物理學(xué)家羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)提出，答案應該是肯定的。他猜測，在一顆恒星的坍縮過(guò)程中如果產(chǎn)生一個(gè)奇點(diǎn)，就必然會(huì )有一個(gè)事件視界隨之形成。大自然禁止我們看見(jiàn)任何一個(gè)奇點(diǎn)，因為總是會(huì )有一個(gè)視界將它遮蔽起來(lái)。彭羅斯的猜測被學(xué)術(shù)界稱(chēng)為“宇宙監察假設”(cosmic censorship hypothesis)。這只是一個(gè)猜測，卻成為整個(gè)現代黑洞研究大廈的基石。物理學(xué)家希望，我們能夠像證明奇點(diǎn)不可避免那樣，用同樣嚴格的數學(xué)方法來(lái)證明宇宙監察假設。

　　裸露的奇點(diǎn)

　　可惜，宇宙監察假設至今未被證明。由于找不到宇宙監察假設能夠應用于所有情況的直接證據，我們不得不踏上一條更漫長(cháng)的探索之路——將初步分析中沒(méi)有考慮到的特征逐一添加到理論模型之中，對不同的恒星引力坍縮過(guò)程進(jìn)行細致的案例分析。1973年，德國物理學(xué)家漢斯·于爾根·塞弗特(Hans Jürgen Seifert)及其同事分析了恒星密度不均勻的情況。有趣的是，他們發(fā)現不同的物質(zhì)層在坍縮下落過(guò)程中相互交錯，會(huì )產(chǎn)生出沒(méi)有視界遮掩的、持續時(shí)間很短的奇點(diǎn)。不過(guò)奇點(diǎn)也分很多種，這些奇點(diǎn)算是相當“良性”的。盡管在某個(gè)位置密度變得無(wú)窮大，引力強度卻仍然有限，因此這個(gè)奇點(diǎn)不會(huì )將物質(zhì)和下落的物體擠壓成一個(gè)體積無(wú)窮小的點(diǎn)。廣義相對論不會(huì )在這里崩潰，物質(zhì)會(huì )穿過(guò)這個(gè)位置繼續下落，而不會(huì )在這里抵達終點(diǎn)。

　　1979年，美國加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的道格拉斯·M·厄德利(Douglas M. Eardley)和伊利諾伊大學(xué)香檳分校的拉里·斯馬(Larry Smarr)更進(jìn)了一步，對一顆恒星的坍縮過(guò)程進(jìn)行了數值模擬，這顆恒星的密度分布與真實(shí)恒星無(wú)異——中心處密度最高，越靠近表面密度越低。1984年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的季米特里奧斯·赫里斯托祖盧(Demetrios Christodoulou)完成了這種情況下恒星坍縮的嚴格數學(xué)推導。這兩項研究都發(fā)現，這顆恒星的體積會(huì )收縮到零，最終形成一個(gè)裸奇點(diǎn)。不過(guò)這個(gè)模型仍然沒(méi)有考慮氣體壓強，當時(shí)在英國約克大學(xué)工作的理查德·P·A·C·紐曼(Richard P.A.C. Newman)也證明，那個(gè)奇點(diǎn)的引力強度仍然不強。

　　受到這些發(fā)現的啟發(fā)，包括我在內的許多研究人員試圖嚴格歸納出一套定理，證明裸奇點(diǎn)的引力強度總是很弱?？上?，我們又沒(méi)有成功。失敗的理由很快就浮出水面：裸奇點(diǎn)的引力強度并不總是很弱。我們發(fā)現，一些不均勻坍縮過(guò)程可以產(chǎn)生真正的強引力奇點(diǎn)，能夠將物質(zhì)擠壓到無(wú)形，并且外界觀(guān)測者仍然可以看到這些奇點(diǎn)。1993年，我和當時(shí)就職于印度亞格拉大學(xué)(Agra University)的因德雷斯·德維韋迪(Indresh Dwivedi)合作，發(fā)展出一套不考慮氣體壓強的恒星坍縮通用分析方法，最終證實(shí)了上述觀(guān)點(diǎn)。

　　20世紀90年代初，物理學(xué)家開(kāi)始考慮氣體壓強的作用。以色列理工學(xué)院(Technion-Israel Institute of Technology)的阿莫斯·奧里(Amos Ori)和耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)(Hebrew University of Jerusalem)的茨維·皮蘭(Tsvi Piran)進(jìn)行了數值模擬，我的研究團隊則從數學(xué)上嚴格求出了相關(guān)方程的解，兩項研究的結論都是：密度-壓強關(guān)系遵從真實(shí)物理定律的恒星會(huì )坍縮形成裸奇點(diǎn)。大約同一時(shí)期，意大利米蘭理工大學(xué)(Polytechnic University of Milan)的朱利奧·馬利(Giulio Magli)和日本大阪市立大學(xué)(Osaka City University)的中尾賢一(Kenichi Nakao)各自帶領(lǐng)研究小組，考慮了一顆坍縮恒星內部由粒子旋轉產(chǎn)生的某種壓強。他們同樣證明，在許多情形下，坍縮最終會(huì )形成一個(gè)裸奇點(diǎn)。

　　這些研究分析的恒星都是完美球體。這個(gè)限制條件看似十分嚴格，實(shí)際上卻并非如此，因為自然界中大多數恒星的形狀都非常接近完美球體。要說(shuō)形狀因素有影響的話(huà)，球狀恒星其實(shí)比其他形狀的恒星更有利于事件視界的形成，因此，如果宇宙監察假說(shuō)對球狀恒星都無(wú)法成立，它的前途似乎就大大不妙了。盡管如此，物理學(xué)家仍然在不懈地探索非球狀恒星的坍縮。1991年，美國伊利斯伊大學(xué)的斯圖爾特·L·夏皮羅(Stuart L. Shapiro)和康奈爾大學(xué)的紹爾·A·托伊科爾斯基(Saul A. Teukolsky)進(jìn)行了數值模擬，表明橢圓形的恒星可以坍縮成一個(gè)奇點(diǎn)。幾年后，我和波蘭科學(xué)院的安杰伊·克魯拉克(Andrzej Królak)合作研究了非球對稱(chēng)坍縮，結果同樣產(chǎn)生了裸奇點(diǎn)。必須指出的是，這兩項研究都沒(méi)有考慮氣體壓強。

　　一些持懷疑態(tài)度的人已經(jīng)提出質(zhì)疑：這些裸奇點(diǎn)會(huì )不會(huì )是人為設計的結果。如果對這些模型中恒星的初始性質(zhì)稍加改動(dòng)，坍縮過(guò)程是不是就會(huì )完全不同，最終形成一個(gè)事件視界遮蔽那個(gè)奇點(diǎn)？果真如此的話(huà)，裸奇點(diǎn)可能就是計算過(guò)程中采用近似方法而造成的人為假象，并不會(huì )真正在自然界中形成。一些涉及物質(zhì)異常形態(tài)的模型確實(shí)對初始條件非常敏感。不過(guò)到目前為止，我們的研究結果證明，大多數裸奇點(diǎn)在初始條件細微改變之后仍然穩定存在。因此，這些坍縮模型在物理學(xué)上似乎站得住腳——也就是說(shuō)，裸奇點(diǎn)并不是人為設計的結果。

每一個(gè)黑洞的中心都有一個(gè)奇點(diǎn)

　　制造裸奇點(diǎn)

　　這些與彭羅斯猜測恰恰相反的例子，表明宇宙監察假說(shuō)并不是一條不可違背的自然準則。物理學(xué)家無(wú)法斷言：“任何大質(zhì)量恒星的坍縮都只能產(chǎn)生一個(gè)黑洞”，或者“任何物理學(xué)上切實(shí)可行的坍縮最終結果都是黑洞”。在一些情況下，恒星會(huì )坍縮成黑洞；而在其他情況下，坍縮會(huì )形成一個(gè)裸奇點(diǎn)。在一些模型中，奇點(diǎn)只是暫時(shí)裸露，最終事件視界還會(huì )形成，并把奇點(diǎn)遮蔽起來(lái)；而在其他模型中，奇點(diǎn)永遠裸露在外。裸奇點(diǎn)通常形成于恒星坍縮的幾何中心，但并不總是如此；就算裸奇點(diǎn)在幾何中心處形成，它也可能漂移到其他區域。奇點(diǎn)的裸露程度也分不同等級：事件視界能夠阻擋遙遠的觀(guān)測者窺探奇點(diǎn)的好奇目光，但那些已經(jīng)落到事件視界以?xún)鹊挠^(guān)測者，在撞上奇點(diǎn)之前有可能先看到它。裸奇點(diǎn)的多種多樣簡(jiǎn)直令人不知所措。

　　我和同事已經(jīng)從這些模型中分離出了決定事件視界會(huì )不會(huì )形成的各種特征。確切地說(shuō)，我們仔細檢查了密度不均勻性和氣體壓強的作用。根據愛(ài)因斯坦的理論，引力是一個(gè)十分復雜的現象，不僅涉及一種相互吸引的作用力，還涉及多種效應——剪切效應(shearing effect)就是其中之一，即不同的物質(zhì)層沿著(zhù)相反的方向側向平移。一顆正在坍縮的恒星密度高到一定程度，按理說(shuō)應該能夠囚禁包括光線(xiàn)在內的所有物質(zhì)，但如果恒星內部密度分布不均勻，其他這些效應就會(huì )打通一些“生路”，讓物質(zhì)和光能夠逃脫困境。比方說(shuō)，奇點(diǎn)附近物質(zhì)的剪切作用能夠觸發(fā)強大的激波，將物質(zhì)和光拋射出去——本質(zhì)上說(shuō)，這就如同一場(chǎng)引力臺風(fēng)，攪亂了事件視界的形成。

　　具體地說(shuō)，我們不妨考慮一顆密度均勻的恒星，忽略氣體壓強(壓強會(huì )改變一些細節，但不會(huì )改變整個(gè)過(guò)程的大致走向)。隨著(zhù)這顆恒星的坍縮，引力越來(lái)越強，運動(dòng)物體的軌跡也越來(lái)越彎，就連光線(xiàn)也不例外。到了某一時(shí)刻，光線(xiàn)彎曲到一定程度，再也無(wú)法離開(kāi)這顆恒星，一片能夠囚禁光的區域便形成了。這片區域最初很小，但隨即擴大，最后穩定下來(lái)，半徑正比于這顆恒星的質(zhì)量。與此同時(shí)，由于恒星密度在空間上均勻分布，只隨時(shí)間變化，因此整顆恒星會(huì )在同一時(shí)刻被擠壓到一點(diǎn)。光在此前就被囚禁了，因此，這個(gè)奇點(diǎn)自誕生時(shí)起就被永遠隱藏了起來(lái)。

　　現在考慮另一顆其他情況完全相同、只是內部密度從中心向外逐漸降低的恒星。事實(shí)上，這顆恒星內部的物質(zhì)結構就像洋蔥一樣，呈現出一層一層的同心球殼狀分布。引力在每一層球殼上的作用強度，取決于這層球殼內部物質(zhì)的平均密度。由于內層球殼密度更大，所受引力也更強，因此它們坍縮的速度比外層球殼更快。整顆恒星不會(huì )在同一時(shí)刻坍縮到一個(gè)奇點(diǎn)。最內層的球殼最先坍縮，然后外層球殼一層跟著(zhù)一層坍縮進(jìn)去。

　　由此產(chǎn)生的坍縮不同步能夠延遲事件視界的形成。致密的內層球殼是最有可能形成視界的地方。但是如果密度從內向外下降得非常迅速，這些球殼也許就無(wú)法湊足囚禁光線(xiàn)所需的質(zhì)量。如此一來(lái)，這個(gè)奇點(diǎn)形成的時(shí)候，就會(huì )被裸露在外。因此，裸奇點(diǎn)的形成存在一道“門(mén)檻”：如果密度不均勻性非常小，低于一個(gè)臨界值，坍縮就會(huì )形成一個(gè)黑洞；如果密度不均勻性足夠大，一個(gè)裸奇點(diǎn)就會(huì )誕生。

　　在另一些模型中，坍縮速度成了決定性因素，它的作用效果在恒星坍縮的一類(lèi)所謂“火球模型”中表現得淋漓盡致。在這些模型中，恒星內部的氣體完全被轉化為輻射，這顆恒星實(shí)際上變成了一團巨大的火球——這種情形最早是在20世紀40年代，印度物理學(xué)家P·C·維迪雅(P. C. Vaidya)在建立輻射恒星模型時(shí)提出的。這種情況下，裸奇點(diǎn)的形成仍然存在一道“門(mén)檻”：緩慢坍縮的火球會(huì )變成黑洞，但如果一個(gè)火球坍縮速度足夠快，光就不會(huì )被囚禁，奇點(diǎn)也會(huì )裸露出來(lái)。

來(lái)源: 《環(huán)球科學(xué)》

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