我們的宇宙中存在着一些物理學定律失效的地方，這就是所謂的“奇點”。爲了避免奇點上發生的無法解釋的現象威脅到現有的物理學，科學家們猜想，奇點只能被包裹在黑洞內部，永遠不能被觀測到。然而有科學家發現，黑洞在一些特別的過程中會將奇點暴露出來。不過，這樣的過程發生我們所生活的宇宙之外……

撰文 | 布倫丹·福斯特（Brendan Foster）

翻譯 | 白德凡

黑洞常被描述成一種危險而充滿破壞力的天體，它不會放走任何落入其中的東西。但假如黑洞也有保護性的一面呢？也許它把宇宙中我們無法理解的地方藏了起來，以免我們遭受不可預測的效應？這個想法聽起來有些輕率，卻是一個持續數十年的物理學謎題——宇宙監督假設（cosmic censorship hypothesis）——的核心觀點。

在黑洞內部，我們已知的物理學走到了盡頭。當前的引力理論，即愛因斯坦的廣義相對論，將在一些時空點上失效，這些點被稱爲“奇點”（singularity）。根據愛因斯坦方程，引力場在奇點上的表現不可預測，引力通常會增大到無窮大，以至於方程也無法描述這裏會發生什麼。

物理學的基本原則要求現實世界的物理規律在黑洞內部繼續發揮作用，所以科學家傾向於將奇點上數學的崩潰解釋爲一些未知的物理規律在起作用，其中可能涉及量子力學。但是，在找到統一引力和量子物理學的理論之前，沒人能知道在奇點上究竟發生了什麼。

值得慶幸的是，奇點隱藏在黑洞內部，我們不必擔心它們可能對外部世界產生離奇的影響。但是，如果奇點單獨出現在黑洞外面，也就是成爲“裸奇點”呢？那就可能影響巨大了。由於還沒有一個完整的理論可以描述奇點上發生的事情，我們不能把廣義相對論預測的結果當真。“裸奇點導致廣義相對論失去了預測能力。”揚州大學物理學家王元君說，他研究過引力理論中奇點的性質。

自20世紀60年代起，英國物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）致力於黑洞和奇點的數學研究，他因此獲得了2020年諾貝爾物理學獎。當時，沒有人提出過任何令人信服的證據，證明廣義相對論可以描述一個物理上合理的宇宙中的裸露奇點，因此奇點只能隱藏在黑洞內部。彭羅斯將線索拼湊起來，提出了一個雖未經嚴密證明，但有根據的猜想：廣義相對論不會預測裸奇點存在，這個猜想被稱爲宇宙監督假設。數學上的崩潰不被允許，所以宇宙一定有某種方式避免裸奇點的存在。

在物理學家看來，宇宙監督假設是必不可少的，而且大多數物理學家假定它就是正確的。儘管已經有研究人員提出了識別裸奇點的方法，一些可觀測跡象表明可以將裸奇點與黑洞區分開，但天文學家還沒有看到任何確鑿的證據。50多年過去了，沒有人能證明或推翻彭羅斯的猜想。

在彭羅斯提出猜想後的最初幾十年裏，理論研究支持了宇宙監督假設。然而在2010年，物理學家路易斯·萊納（Luis Lehner）和弗蘭斯·比勒陀利烏斯（Frans Pretorius）通過計算機模擬發現，黑洞表面可以碎裂成很多塊，留下一個裸露的奇點。這種碎裂過程通過一種名爲“格雷戈裏-拉弗拉姆不穩定性”（Gregory-Laflamme instability）的方式發生，而這種不穩定性只存在於空間有三個以上維度的宇宙中。換句話說，在我們由廣義相對論所描述的三維宇宙中，通過這種方式獲得裸奇點是不可行的。

儘管得到了否定的結果，但這項研究仍然有意義。以這個例子爲起點，研究人員可以找一些類似的過程併發問：“我們的宇宙中會發生類似的事情嗎？”如果答案是否定的，他們可以追問爲什麼不能發生。倫敦瑪麗皇后大學的物理學家波·菲格拉斯（Pau Figueras）表示，這種思考方法並不能替代完整的證明過程，但仍具有說服力。“如果這個特定的不穩定性過程是打破宇宙監督的唯一方法，”他說，“而現實中的黑洞不會經歷這個過程，那麼這就提供了一種方法來證明彭羅斯的猜想在我們實際的時空中是正確的。”

萊納和比勒陀利烏斯的研究結果激發了人們對宇宙監督假設的興趣。據菲格拉斯介紹，該領域在過去十年中發展勢頭正旺，這主要得益於計算技術的進步，使得計算黑洞的演化以及黑洞破碎後奇點暴露的過程成爲可能。“這不僅是因爲20年前還不存在滿足需求的計算機，”菲格拉斯說，“還因爲我們過去不知道如何在計算機上模擬廣義相對論，因此也不知道如何模擬黑洞。”菲格拉斯表示，現在的模擬結果表明，在有額外維度的宇宙中，裸奇點比預期的更常見。

菲格拉斯和他的同事已經證明，當黑洞碰撞時，裸奇點也可以出現。這樣的碰撞甚至在我們的宇宙中也會發生。但研究人員發現，在我們的宇宙中，黑洞碰撞並不會產生相同的結果。碰撞之後，奇點仍被包裹在黑洞中。

宇宙監督假設的完整證明或結論性反駁仍然難以捉摸。然而，王元君說，無論這個猜想成立與否，對於大多數理論物理學家來說，這個謎題本身不再是主要的關注點。“關鍵是我們在這一過程中可以學到什麼，獲得什麼見解，開發什麼工具，”王元君補充道，“重要的不只是目的地，旅途也很重要。”

原文鏈接：

https：//www.scientificamerican.com/article/singularities-can-exist-outside-black-holes-in-other-universes/

本文轉自環球科學