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怎么看见被装在“盒子”里的奇点呢?

admin  发表于 2020年01月13日

当黑洞相撞的时候,它们核心相互作用会在产生的引力波中留下痕迹。

 

黑洞核心的奇点是爱因斯坦广义相对论没法解释的。它们是唯一证明这个理论出问题的地方。除此之外,唯一已知的奇点就只有大爆炸了。但由于大爆炸后的宇宙暴涨,这个奇点基本上是隐形的。

每个物理学家都知道这些,但只有少数人讨论黑洞奇点,就好像这个话题是禁忌的一般。原因很简单:为了探索奇点的本质,我们必须找到一种能够把广义相对论和量子物理统一起来的理论,然而,我们却无法找到一种独一无二又被良好定义的模型来做到这一点。即使在像弦论一样的大统一模型的候选者中,人们都因为庞杂的数学计算很少提到黑洞奇点的本质。

不过或许现在时机已经成熟,这个话题应该被重新提起,考虑到2017年诺贝尔奖被颁给了发现黑洞碰撞产生引力波的LIGO团队。一个可观察到的黑洞奇点的量子信号能够指引我们找到一个统一的理论。

我是在五月七号到十一号在哈佛大学举行的两场紧挨着的会议期间有的这个想法,其中一场会议是关于引力波天文学的,另一场是哈佛的黑洞研讨年会。几天后,我家地下室的水管被树根堵住,所以被淹了。与管道工修理水管的五个小时让我意识到那些流入下水道的水总会在另一个地方汇聚。

通常水流经下水管道,到达当地的水库,我们并不深究它的去向,因为当水离开我们的地盘,我们就看不到,自然也不关心了。不过这次因为我的下水管道堵了,水淹了地下室,这不禁引我发问,黑洞中的物质又会流到哪里去呢?而这比喻中的水库就是奇点。

的确,一个静止黑洞的奇点是藏在外界观察者的事件视界之后的。当探索孤立黑洞周围平静的时空时,这个宇宙监督就是无视奇点所带来可观察后果的好理由,比如说——借助事件视界望远镜绘制处于银河系中心的射手座轮廓的时候。

但这并不意味着观察者永远无法通过实验探索奇点的性质。当孩子们收到包装在盒子中的礼物时,他们总先尝试着摇一摇,听听声音来判断礼物的内容。

类似的,我们也能听见黑洞相撞时,引起它边界剧烈振动所发出的声音。也许,这能让我们更多地了解点奇点的本质。LIGO探测器的下一代可以作为孩子的耳朵,从这些振动中提取新的信息。

一个尤其有趣的问题是,当两个奇点相撞时,又会发生什么呢?它们是怎么融为一体的,这过程又是如何影响LIGO接收到的引力波信号的呢?天真点说,有人可以争辩电脑模拟已经计算出黑洞碰撞的引力波信号了,然而这些信号中并没有事件视界盒子的踪迹。

但现有的电脑模拟有两大缺点。第一,它们假设奇点周围的环境不会造成任何可观察到的影响,所以完全忽略了这些因素:第二——它们没有加入量子力学对广义相对论的修正。如果这里有奇点融合的可观测迹象的话,现有的电脑模拟从构造上来说,根本无法观测到它们。

在量子力学的情境中,奇点可能会长成什么样呢?最有可能,它会呈现一种极端集中的巨大质量(在天体物理学黑洞中几倍于恒星的质量)浓缩在极小体积中的状态。而天体物理学的黑洞中,相当于水库汲取所有物质的奇点大小却是未知的。我们可以把奇点的遗骸设想为一个处于平衡体积有限的水库,就像银晕一样,在银晕中,引力使所有粒子在银盘上下往复移动。

有的人可能会猜想,残留物体的外边界只是一些相比史瓦西半径的只能算小量的数,2GM/c2(相当于三千米乘黑洞的质量,M的单位是太阳质量单位),对应爱因斯坦引力论经量子修正后的宇宙曲率尺度。这样来说,用来代替奇点的体积就可以用质量除以普朗克质量(10-5克),再乘普朗克长度(10-33厘米,或10-20乘质子尺寸)来表示了。

现在,想象两个奇点在黑洞融合的时候碰撞。虽然这些碰撞可能并不能被外部观察者直接观察到(除非这一过程中出现了裸奇点),值得思考的问题是这种碰撞是否会产生能量的瞬间爆发,使得外界能够直接观察到它传到事件视界的振动。这有可能吗?

这是一个值得深入探讨的有趣问题。它能启发引力波观测者研发更敏感的探测器。至少,我们也许能大体绘制出它可能的轮廓。科学是在不断探索的过程中成长的,而其中大部分的乐趣都埋藏在未知的土地中。

我经常鼓励我研究弦理论的同事假想一种未来的飞船带他们到黑洞附近的事件视界,以此验证他们的理论。也许LIGO未来的发展可以为他们省下这笔旅费。

作者简介:

Abraham Loeb

Abraham Leob是哈佛大学天文系的主任,哈佛黑洞协会的创始人以及哈佛大学-史密森天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)理论与计算协会的主任。同时,他也是突破之星项目顾问委员会的一员。

来源:Nick Higgins

 

(翻译:费哲妮;审校:刘博尧)

 

原文链接:https://blogs.scientificamerican.com/observations/maybe-we-could-see-a-singularity-after-all/

 


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