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黑洞中心会发生什么?

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查看16942 | 回复0 | 2022-2-20 15:26:19 | 显示全部楼层 |阅读模式


艺术家的黑洞插图。 (图片来源:Shutterstock)

Paul M. Sutter 是纽约州立大学石溪分校和熨斗研究所的天体物理学家,是Ask a Spaceman 和Space Radio的主持人,也是How to Die in Space的作者。萨特将这篇文章贡献给 Space.com 的专家之声:专栏和见解。

黑洞中心的奇点是终极无人区:一个物质被压缩到一个无限微小的地方,所有的时间和空间概念都完全崩溃了。它并不存在。必须有某种东西来代替奇点,但我们不确定是什么。

让我们探索一些可能性。

普朗克星

可能是在黑洞的深处,物质不会被压扁到一个无限小的点。相反,可能存在最小的物质配置,最小的体积口袋。

这被称为普朗克星,它是环量子引力所设想的一种理论可能性,它本身就是一个高度假设的创建引力量子版本的提议。在圈量子引力的世界中,空间和时间是量子化的——我们周围的宇宙是由微小的离散块组成的,但在如此微小的尺度上,我们的运动看起来是平滑和连续的。

这种理论上的时空块状有两个好处。其一,它将量子力学的梦想推向了极致,以自然的方式解释了引力。第二,它使奇点不可能在黑洞内部形成。

当物质在一颗坍缩恒星的巨大引力下压扁时,它会遇到阻力。时空的离散性阻止物质到达任何小于普朗克长度(大约 1.68 乘以 10^-35 米)的物体。所有落入黑洞的物质都被压缩成一个比这个大不了多少的球。完美的微观,但绝对不是无限小。

这种对持续压缩的抵抗力最终迫使材料不塌陷(即爆炸),使黑洞只是暂时的物体。但是由于黑洞周围的极端时间膨胀效应,从我们在外部宇宙的角度来看,它们需要数十亿甚至数万亿年才能繁荣。所以我们现在都准备好了。

坟墓之星

另一种根除奇点的尝试——不依赖未经检验的量子引力理论——被称为引力星。这是一个理论概念,以至于我的拼写检查器甚至都认不出这个词。

黑洞和引力星的区别在于,引力星不是奇点,而是充满了暗能量。暗能量是一种渗透时空的物质,使其向外膨胀。这听起来像科幻小说,但它是真实的:暗能量目前在更大的宇宙中运行,导致我们整个宇宙加速膨胀。

当物质落到重力星上时,它实际上无法穿透事件视界(由于内部的所有暗能量),因此只能挂在表面上。但在那个表面之外,重力星的外观和行为就像正常的黑洞一样。(黑洞的事件视界是它的不归路——任何东西,甚至光都无法逃脱的边界。)

然而,最近用引力波探测器对黑洞合并的观察可能排除了引力星的存在,因为合并引力星会发出与合并黑洞不同的信号,而像 LIGO(激光干涉仪引力波天文台)和 Virgo 这样的设备是每天得到越来越多的例子。虽然重力星在我们的宇宙中并不是完全禁止的,但它们绝对是如履薄冰。

让我们去兜风

普朗克星和重力星可能有很棒的名字,但它们存在的真实性值得怀疑。所以也许对奇点有一个更世俗的解释,它基于对我们宇宙中黑洞的更细致和现实的看法。

无限密度的单点的想法来自我们对静止、不旋转、不带电、相当无聊的黑洞的概念。真正的黑洞是更有趣的角色,尤其是当它们旋转时。

旋转黑洞的自旋将奇点拉伸成一个环。根据爱因斯坦广义相对论的数学(这是我们唯一得到的数学),一旦你穿过环奇点,你就会进入一个虫洞,然后从一个白洞(黑洞的对立面)中跳出来,没有任何东西可以进入,物质以光速冲出)进入一个全新的、令人兴奋的宇宙区域。

挑战之一:旋转黑洞的内部是灾难性的不稳定。这是根据导致旅行到新宇宙的东西的预测的相同数学。

旋转黑洞的问题在于,它们会旋转。这个奇点被拉长成一个环,以如此惊人的速度旋转,以至于它具有令人难以置信的离心力。在广义相对论中,足够强大的离心力就像反重力一样:它们推动而不是拉动。

这在黑洞内部创建了一个边界,称为内部视界。在这个区域之外,在极端引力的作用下,辐射正朝着奇点向内下降。但辐射是由环奇点附近的反重力推动的,转折点是内视界。如果你遇到内视界,你将面对一堵无限高能辐射的墙——整个宇宙过去的历史,在不到一眨眼的时间里就轰进了你的脸。

内部视界的形成为黑洞的毁灭播下了种子。但旋转黑洞肯定存在于我们的宇宙中,这告诉我们我们的数学是错误的,并且正在发生一些奇怪的事情。

黑洞内部到底发生了什么?我们不知道——可怕的是我们可能永远不会知道。

其他资源
您可以在这个 NASA 解释器页面了解更多关于黑洞的信息。这篇BBC Earth 文章也有关于黑洞的良好基本信息,它还描述了如果你落入这些吞噬光的怪物之一会发生什么。斯坦福哲学百科全书对黑洞和奇点进行了很好的详细分类 。

参考书目
Rovelli, C. 和 Vidotto, F,2014 年。“普朗克星”,国际现代物理学杂志 D,卷。23,第 12 期。https://doi.org/10.1142/S0218271814420267
Sakai, N. 等人,2014 年。“Gravastar 阴影”,物理评论 D,卷。90. https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.90.104013
Taylor, E. 和 Wheeler, J. “探索黑洞:广义相对论导论”。艾迪生韦斯利朗曼,2000 年。https://www.amazon.com/Exploring ... ivity/dp/020138423X

编者注:此故事于 2020 年 10 月 27 日首次发布。它于 2022 年 2 月 8 日更新并重新发布。

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