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黑洞中心會發(fā)生什么？所有的可能性都很奇怪
2020-12-06
黑洞中心的奇點是終極的“無主之地”：在這里，物質(zhì)被壓縮到一個無限小的點，所有關(guān)于時間和空間的概念都被完全打破。事實上，奇點并不存在；必須有什么東西取代奇點，但我們還不確定是什么。接下來，讓我們來探索一些奇怪的可能性。
普朗克恒星
在黑洞的深處，物質(zhì)可能不會被壓縮成一個無限小的點。相反，物質(zhì)可能具有一個最小的可能構(gòu)型，也就是最小的可能體積。
這就是所謂的“普朗克恒星”（Planck star），一種圈量子引力論中設(shè)想的天體。當(dāng)坍縮恒星的能量密度達到普朗克能量密度時，普朗克恒星就產(chǎn)生了。圈量子引力論本身就是一個高度假設(shè)的理論，與弦理論同為當(dāng)今將引力量子化最成功的理論。在圈量子引力的世界里，空間和時間都是量子化的，即我們周圍的宇宙是由微小的離散塊組成的；但在如此微小的尺度下，我們的運動看起來卻是平滑而連續(xù)的。
這種理論上的塊狀時空有兩個優(yōu)勢。首先，它實現(xiàn)了量子力學(xué)的“夢想”——以自然的方式來解釋引力；其次，它使得奇點不可能在黑洞內(nèi)形成。
當(dāng)物質(zhì)被坍縮恒星的巨大引力壓扁時，會遇到阻力。時空的離散性阻止物質(zhì)達到任何小于普朗克長度（約為1.68×10^-35米）的長度。所有落入黑洞的物質(zhì)都被壓縮成一個不比這一尺度大多少的球。極其微小，但絕對不是無限小。
這種對持續(xù)壓縮的抵抗最終迫使物質(zhì)“反坍縮”（即爆炸），黑洞也因此成為暫時性的物體。然而，從宇宙之外的角度來看，由于黑洞周圍的極端時間膨脹效應(yīng)，它們的“反坍縮”需要數(shù)十億年甚至上萬億年。
引力真空星
另一個消除奇點的嘗試——不依賴于未經(jīng)驗證的量子引力理論——則是所謂的“引力真空星”（gravastar）。這是天體物理學(xué)中的一種假想星體，可以作為黑洞理論的替代學(xué)說。
黑洞和引力真空星的區(qū)別在于，后者沒有奇點，而是充滿了暗能量。暗能量是一種滲透時空，使其向外膨脹的物質(zhì)。這聽起來像科幻小說中的設(shè)定，但卻很可能是真實存在的：暗能量目前正在更大的宇宙中運行，導(dǎo)致我們整個宇宙加速膨脹。
當(dāng)物質(zhì)落在引力真空星上時，它實際上無法穿透事件視界（由于內(nèi)部的暗能量），因此只能懸在表面。但在這個表面之外，引力真空星的外觀和行為都很像普通的黑洞。
然而，近年來用引力波探測器觀察到的黑洞合并事件可能排除了引力真空星的存在，因為引力真空星的合并會產(chǎn)生與黑洞合并不同的信號。激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座干涉儀（Virgo）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)越來越多這樣的例子。盡管引力真空星在我們的宇宙中還不能絕對排除，但目前來看，確實可能性越來越小了。
尋找旋轉(zhuǎn)的跡象
普朗克恒星和引力真空星可能有著聽起來很了不起的名稱，但它們是否真的存在還是疑問。因此，黑洞的奇點或許有一個更平常的解釋，一個基于對我們宇宙中黑洞更細致和現(xiàn)實的看法的解釋。
無限密度點的概念來自于我們對靜止、不旋轉(zhuǎn)且不帶電的黑洞的認知。真正的黑洞要有趣得多，尤其是當(dāng)它們旋轉(zhuǎn)的時候。
黑洞的旋轉(zhuǎn)會將奇點拉伸成一個環(huán)。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論的數(shù)學(xué)（這也是我們唯一擁有的數(shù)學(xué)工具），一旦你通過環(huán)狀奇點，你就進入了一個蟲洞，然后穿過白洞進入一個全新的宇宙區(qū)域。所謂“白洞”，就是與黑洞性質(zhì)截然相反的時空區(qū)域，光和物質(zhì)無法進入這個區(qū)域，但可以從這個區(qū)域向外放射。
其中的一個挑戰(zhàn)是：旋轉(zhuǎn)黑洞的內(nèi)部極不穩(wěn)定。旋轉(zhuǎn)黑洞的問題正在于“旋轉(zhuǎn)”。奇點被拉伸成一個環(huán)，以驚人的速度旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了難以置信的離心力。在廣義相對論中，足夠強的離心力會起到反引力的作用：推，而不是拉。
這就在黑洞內(nèi)部形成了一個邊界，稱為“內(nèi)視界”。在這個區(qū)域之外，輻射在極端引力的作用下落向奇點。但是，輻射受到奇點環(huán)附近的反引力推動，轉(zhuǎn)折點便是內(nèi)視界。遇到內(nèi)視界時，你將會面對一堵無限能量輻射的墻——整個宇宙過去的歷史，在一瞬間都會爆發(fā)出來。
內(nèi)視界的形成為黑洞的毀滅播下了種子，然而旋轉(zhuǎn)的黑洞又的確存在于我們的宇宙中。因此，這就告訴我們，上述數(shù)學(xué)計算并不準確，一些奇怪的事情正在發(fā)生。黑洞里面到底發(fā)生了什么？我們不知道——可怕的是我們可能永遠都不會知道。
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