光线无法逃出视界，因此黑洞内的无限致密的奇点仍然隐藏着“真容”。（图片提供：M. KULYK/SPL）

 

本报讯 巴西圣保罗州立大学的物理学家George Matsas和André da Silva最近提出，量子穿隧效应能够剥离黑洞的外层，直至露出它的“内心”——奇点。这一发现有望使人类从外部一瞥黑洞的内部情况，相关论文发表在近期的《物理评论快报》（PRL）上。

 

黑洞的引力非常强大，甚至连光线也无法逃脱，黑洞没有光线射出的边界称为“视界”。显而易见，视界内的情况是处于外部的人类所无法直接了解的。20世纪60年代，理论物理学家罗格·彭罗斯与霍金分别证实了黑洞中央会不可避免地存在奇点，它们的时空曲率无穷大，密度也趋于无限大。1969年，彭罗斯还提出了“宇宙监督”假设，阻止裸奇点的出现。现在，黑洞的中心存在着奇点已成为科学家的普遍认识。然而，经典的广义相对论只能预言奇点的发生，并不能描述在奇点处会发生什么。

 

不过，物理学家一直想知道的是黑洞的视界能否被剥离开，好让奇点裸露出来。一种可能的情况是如果黑洞旋转得非常快，视界就可能消失，光和物质可能就会摆脱黑洞引力逃逸出来。

 

今年9月，美国杜克大学的物理学家Arlie Petters和英国剑桥大学的Marcus Werner提出，黑洞高速旋转引起的奇点裸露可以直接被天文学家探测到，因为这些奇点可以起到非常强的引力棱镜作用，能够将来自它们背后的恒星光芒通过时空扭曲进行弯曲。他们表示，现有望远镜的空间分辨率足以在银河系的中央发现这样的裸奇点。该研究发表在《物理评论D》上。

 

然而，黑洞如何才能旋转得足够快呢？20世纪70年代的研究表明，黑洞的自旋加速无法通过积吸作用实现，因为角动量的增加会被额外质量的减速作用中和。要让黑洞的角动量增加并最终实现裸奇点，粒子必须以相当高的速度和相当大的掠射角接近视界，从而在第一时间不被吸入视界内。

 

值得注意的是，在经典的相对论框架下，科学家是无法找到创造裸奇点的方法的。不过，在最新的研究中，Matsas和da Silva提出，在半经典引力前提下，粒子的量子穿隧过程可能打破“宇宙监督”的控制。他们得出结论认为，充满电荷的黑洞如果旋转速度足够快，濒于失去视界，那么，以非经典方式获得的角动量就可能推动它越过这一临界边缘。量子穿隧效应是指量子颗粒能够穿过障碍物的独特性质，而根据经典力学理论，粒子具有的能量不足以实现穿隧。

 

与用经典粒子实现裸奇点就必须不进入视界相比，Matsas和da Silva发现，量子粒子可以穿隧进入视界，从而使黑洞超越临界，成为裸奇点。Petters评价说：“这是个不错的想法，但问题是这样的黑洞是否存在，或者所带的电荷能否维持足够长的时间，以便我们能够发现它们。”

 

Matsas谨慎指出，他们的研究并不必然与现实的“宇宙监督”相抵触，因为量子理论目前还不完善。预言黑洞的广义相对论和量子力学理论在根本上还是不调和的，物理学家的愿望就是最终找到统一的量子引力理论。他说，最终的统一理论能否挽救“宇宙监督”还是未知数，但“我们看不到任何确凿的证据和理由，来排除量子引力前提下裸奇点的存在”。

 

Matsas表示，事实上，改进的经典理论能帮助人们在第一时间弄清楚裸奇点的样子。他说：“许多科学家相信，量子引力理论将最终揭开奇点结构的面纱。”而到那时，它们或许会“对物理学相当‘友善’”，而不是像现在这样的“畸形”。

 

背景链接：奇点与“宇宙监督”假设

 

彭罗斯认为，奇点的出现是不可避免的，一般的时空都会有奇点。他提出了“奇点定理”，该定理认为，只要爱因斯坦的广义相对论正确并且因果性成立，那么任何有物质的时空都至少存在一个奇点。彭罗斯用微分几何方法严格证明了奇点定理，霍金也给出了另外的证明。目前，奇点定理已被绝大多数物理学家认可。然而，奇点概念颠覆的似乎不仅仅是物理，更是逻辑，事物的因果关系在奇点处也会瓦解。因此为了改善奇点让人们为难的处境，彭罗斯在1969年提出了“宇宙监督”假设，认为“存在一个‘宇宙监督’，它禁止裸奇点的出现”。也就是说，“宇宙监督”要求奇点必须包含在黑洞里面，任何信息（包括奇点产生的不可预测的信息）也都不可能跑到黑洞外面来，这样至少我们这些生活在黑洞外面的人，不会受到奇点的“不良”影响。