圖片來源：NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)）
超大質量黑洞模擬圖
黑洞中心有一個奇點，這裡時空曲率極大，已知的物理定律普遍失效。但如果奇點並未被囚禁在黑洞內部，這些“裸奇點”就可能對外面的世界產生無法預測的影響。過去一些理論試圖規避裸奇點的存在，但在這篇文章中，哈佛大學天文學院院長，哈佛大學黑洞計劃的創始人Avi Loeb卻提出，我們可能已經探測到了裸奇點，只是沒有意識到。或許未來的理論會允許裸奇點的存在。
黑洞周圍連光都無法逃逸的區域被稱為事件視界。就像那句關於拉斯維加斯的俚語（在拉斯維加斯發生的，都會留在拉斯維加斯，whatever happens in Vegas stays in Vegas）一樣，在事件視界之內發生的事情，也會留在事件視界之內，任何光、物質或是信息都無法從此逃脫。
黑洞的事件視界不僅困住了這些信息，還避免了宇宙中物理定律廣泛失效的情況出現。所有進入黑洞的物質的最終歸宿都是奇點，
在這裡，時空曲率極大，愛因斯坦廣義相對論方程失效。幸運的是，事件視界“包住”了奇點，從而將我們所在的宇宙空間與其分隔開來。因此，儘管現有理論仍無法解釋奇點處發生了什麼，進入黑洞的物質去了哪，但這並不影響我們對事件視界之外的宇宙的認知。但是，有沒有可能存在不被視界包裹的，“赤裸”的奇點——“裸奇點”呢。如果裸奇點真的存在，那麼在我們所處的時空中，現有的物理定律也將失效，我們將失去利用廣義相對論預測未來事件的能力。
為了避免這一大危機，物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）在1969年提出了宇宙監督理論（the cosmic censorship hypothesis），這一理論推測，宇宙中存在一位“監督”，它禁止裸奇點的出現。如果這一理論成立，那麼那些廣義相對論失效的區域就都被限制住了，在這些區域之外，廣義相對論仍然有效。
不過，宇宙監督的存在真的是必要的嗎？我們知道，愛因斯坦的廣義相對論方程組存在缺陷，它缺少了現代量子力學中的一個重要變量。雖然目前仍然缺少完整的量子引力理論，但未來這個理論或許就能夠解決奇點的問題，從而提供一個可以解釋整個時空的理論。在這個理論中，也許並不需要宇宙監督的存在。
事實上，我們目前已經得到了一個有力線索，證明很可能的確存在這樣一個理論。1974年，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）做出了一項重大預言：黑洞會蒸發。根據量子理論，成對的“虛粒子”隨時隨地都有可能出現。通常情況下，這樣一對由正反粒子組成的虛粒子對會迅速湮滅，但如果虛粒子對產生在視界邊緣附近，或許會導致一個粒子出現在視界內，另一個出現在視界外，而外面的那個粒子可以帶著能量逃逸。粒子的逃逸會讓黑洞不斷收縮至徹底消失，而那些逃逸的粒子也被稱為“霍金輻射”。
但如此一來，正在蒸發的黑洞就是一個裸奇點了——因為事件視界未能完整覆蓋這個黑洞。然而，對於那些質量大於三個太陽的黑洞，能釋放出的霍金輻射太弱了。而對於一些在宇宙初期誕生的小質量原初黑洞來說，它們的視界過小，因此已經在漫長的宇宙歷史中蒸發殆盡了。目前，我們尚未探測到黑洞蒸發的證據。
除此之外，數學家和哲學家還在爭論，廣義相對論中宇宙監督是否應當限制“合理的”時空範圍。與此同時，也有人利用計算機解愛因斯坦方程組，來尋找極端條件下的裸奇點。
在最近哈佛大學黑洞計劃（ Black Hole Initiative）的一場報告會上，一位哲學家提出，宇宙監督理論是現代廣義相對論研究中最令人興奮的問題。在他演講結束後，我只產生了一個問題：“數學和哲學在此爭論不止，但天文學家卻能夠在宇宙中搜尋裸奇點的存在。如果我們觀測到了這些裸奇點，那還需要宇宙監督的存在嗎？”
我認為，相比那些避開裸奇點的理論，我們更應當珍惜這個找到它們，並且藉此探索新的物理學領域的機會。當然，就這一點而言，其關鍵之處在於“裸奇點是什麼樣子的”，畢竟我們還並不知道答案。考慮到奇點處極大的時空曲率，裸奇點或許會在一個強大的能量火球內，並會釋放高能粒子。我們是否曾觀測這種火球呢？有沒有這樣一種可能，我們已經探測到了裸奇點，只是誤解了它的性質，因此沒能認出來？
在記錄中，一種這樣的火球就是伽馬射線暴。這一天文現象通常伴隨著黑洞的形成或是中子星的碰撞，但並未將它與裸奇點聯繫起來。除此之外的另一種可能還有快速射電暴，不過我們仍不知道它究竟是什麼。
我們需要擦亮雙眼。如果真能用望遠鏡探測到裸奇點的話，這將是一個檢測弦理論等量子引力理論的絕佳機會。然而問題在於，現有的各種量子引力理論並未預測裸奇點看起來會是怎麼樣的。因此，觀測者應當做這一方向的領頭羊，包括搜尋大爆炸這個裸奇點釋放出的引力波，儘管這非常有挑戰性。
本文作者：亞伯拉罕·洛布（Abraham Loeb)是哈佛大學天文學院的院長，哈佛大學黑洞計劃的創辦負責人，以及哈佛-史密森天體物理中心理論與計算研究所的主任。他主要研究領域是黑洞、宇宙的未來及外星生命等。
來源 | 環球科學
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