哈佛大学黑洞计划创始人Avi Loeb：我们可能已经探测到了裸奇点

超大质量黑洞模拟图（图片来源：NASA， ESA， and D。 Coe， J。 Anderson， and R。 van der Marel （STScI））

撰文：亚伯拉罕洛布（Abraham Loeb）

翻译：张二七

黑洞中心有一个奇点，这里时空曲率极大，已知的物理定律普遍失效。但如果奇点并未被囚禁在黑洞内部，这些裸奇点就可能对外面的世界产生无法预测的影响。过去一些理论试图规避裸奇点的存在，但在这篇文章中，哈佛大学天文学院院长，哈佛大学黑洞计划的创始人Avi Loeb却提出，我们可能已经探测到了裸奇点，只是没有意识到。或许未来的理论会允许裸奇点的存在。

黑洞周围连光都无法逃逸的区域被称为事件视界。就像那句关于拉斯维加斯的俚语（在拉斯维加斯发生的，都会留在拉斯维加斯，whatever happens in Vegas stays in Vegas）一样，在事件视界之内发生的事情，也会留在事件视界之内，任何光、物质或是信息都无法从此逃脱。

黑洞的事件视界不仅困住了这些信息，还避免了宇宙中物理定律广泛失效的情况出现。所有进入黑洞的物质的最终归宿都是奇点，在这里，时空曲率极大，爱因斯坦广义相对论方程失效。幸运的是，事件视界包住了奇点，从而将我们所在的宇宙空间与其分隔开来。因此，尽管现有理论仍无法解释奇点处发生了什么，进入黑洞的物质去了哪，但这并不影响我们对事件视界之外的宇宙的认知。

但是，有没有可能存在不被视界包裹的，赤裸的奇点裸奇点呢。如果裸奇点真的存在，那么在我们所处的时空中，现有的物理定律也将失效，我们将失去利用广义相对论预测未来事件的能力。

为了避免这一大危机，物理学家罗杰彭罗斯（Roger Penrose）在1969年提出了宇宙监督理论（the cosmic censorship hypothesis），这一理论推测，宇宙中存在一位监督，它禁止裸奇点的出现。如果这一理论成立，那么那些广义相对论失效的区域就都被限制住了，在这些区域之外，广义相对论仍然有效。

不过，宇宙监督的存在真的是必要的吗？我们知道，爱因斯坦的广义相对论方程组存在缺陷，它缺少了现代量子力学中的一个重要变量。虽然目前仍然缺少完整的量子引力理论，但未来这个理论或许就能够解决奇点的问题，从而提供一个可以解释整个时空的理论。在这个理论中，也许并不需要宇宙监督的存在。

事实上，我们目前已经得到了一个有力线索，证明很可能的确存在这样一个理论。1974年，斯蒂芬霍金（Stephen Hawking）做出了一项重大预言：黑洞会蒸发。根据量子理论，成对的虚粒子随时随地都有可能出现。通常情况下，这样一对由正反粒子组成的虚粒子对会迅速湮灭，但如果虚粒子对产生在视界边缘附近，或许会导致一个粒子出现在视界内，另一个出现在视界外，而外面的那个粒子可以带着能量逃逸。粒子的逃逸会让黑洞不断收缩至彻底消失，而那些逃逸的粒子也被称为霍金辐射。

但如此一来，正在蒸发的黑洞就是一个裸奇点了因为事件视界未能完整覆盖这个黑洞。然而，对于那些质量大于三个太阳的黑洞，能释放出的霍金辐射太弱了。而对于一些在宇宙初期诞生的小质量原初黑洞来说，它们的视界过小，因此已经在漫长的宇宙历史中蒸发殆尽了。目前，我们尚未探测到黑洞蒸发的证据。

除此之外，数学家和哲学家还在争论，广义相对论中宇宙监督是否应当限制合理的时空范围。与此同时，也有人利用计算机解爱因斯坦方程组，来寻找极端条件下的裸奇点。

在最近哈佛大学黑洞计划（ Black Hole Initiative）的一场报告会上，一位哲学家提出，宇宙监督理论是现代广义相对论研究中最令人兴奋的问题。在他演讲结束后，我只产生了一个问题：数学和哲学在此争论不止，但天文学家却能够在宇宙中搜寻裸奇点的存在。如果我们观测到了这些裸奇点，那还需要宇宙监督的存在吗？

我认为，相比那些避开裸奇点的理论，我们更应当珍惜这个找到它们，并且借此探索新的物理学领域的机会。当然，就这一点而言，其关键之处在于裸奇点是什么样子的，毕竟我们还并不知道答案。考虑到奇点处极大的时空曲率，裸奇点或许会在一个强大的能量火球内，并会释放高能粒子。我们是否曾观测这种火球呢？有没有这样一种可能，我们已经探测到了裸奇点，只是误解了它的性质，因此没能认出来？

在记录中，一种这样的火球就是伽马射线暴。这一天文现象通常伴随着黑洞的形成或是中子星的碰撞，但并未将它与裸奇点联系起来。除此之外的另一种可能还有快速射电暴，不过我们仍不知道它究竟是什么。

我们需要擦亮双眼。如果真能用望远镜探测到裸奇点的话，这将是一个检测弦理论等量子引力理论的绝佳机会。然而问题在于，现有的各种量子引力理论并未预测裸奇点看起来会是怎么样的。因此，观测者应当做这一方向的领头羊，包括搜寻大爆炸这个裸奇点释放出的引力波，尽管这非常有挑战性。

本文作者：亚伯拉罕洛布（Abraham Loeb）是哈佛大学天文学院的院长，哈佛大学黑洞计划的创办负责人，以及哈佛-史密森天体物理中心理论与计算研究所的主任。他主要研究领域是黑洞、宇宙的未来及外星生命等。