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1 从视界外窥探黑洞“内心”可能实现(图)

  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(quantum tunneling)能够剥离黑洞的外层,直至露出它的“内心”——奇点(singularity)。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”(event horizon)。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”(cosmic censorship conjecture),阻止“裸奇点”(naked singularity)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拨离开,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(论文摘要)。

  然而,黑洞如何才能旋转地足够快呢?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,从而在第一时间不会被吸入视界内。

  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”。

天文爱好者/新闻

图片说明: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”。
(图片来源:M. KULYK/SPL)

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作者:aymi 2007/11/9 23:02:06 | 回复楼主 举报 TOP

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