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物理学家们精确地计算出了黑洞的中心

2019-12-12

黑洞内部奇点的性质就一直是个谜
1916年1月,在东线当兵的德国物理学家卡尔·史瓦西提出了广义相对论的第一个精确解,这是阿尔伯特·爱因斯坦此前提出的激进的引力理论。广义相对论把引力描绘成弯曲空间和时间的影响,而不是人们长期以来所理解的引力。史瓦西的解揭示了一个静止的物质球体周围时空的曲率。
奇怪的是,史瓦西注意到如果这个物质被限制在一个足够小的半径内,在中心会有一个无限曲率和密度的点,这就是一个奇点。
物理学中突然出现的无穷大通常会引起科学家们的恐慌,爱因斯坦在得知史瓦西的结果后,史瓦西自己也不敢相信这种物体真的存在。但从20世纪70年代开始,越来越多的证据表明,宇宙中存在大量这样的实体,这些实体就是黑洞,因为它们的引力太强,任何进入它们的东西都出不来,甚至光也出不来。从那时起,黑洞内部奇点的性质就一直是个谜。
哈佛大学黑洞计划(BHI)的一个研究小组在这个谜题上取得了重大进展。
保罗·切斯勒、拉梅什·纳拉扬和埃里克·库列尔探索了理论上的黑洞的内部性质,这些黑洞与天文学家研究的实际黑洞类似,试图确定黑洞内部存在何种奇点。
切斯勒解释说,奇点并不是数量真正无限的地方,而是“广义相对论崩溃的地方”。在这一点上,广义相对论被认为是让位给一个更精确的,但仍然未知的,量子尺度的重力描述。但是爱因斯坦的理论有三种不同的描述方式,导致了三种不同的可能的奇点。“知道广义相对论何时何地失效对了解它背后的(量子引力)理论很有帮助,”切斯勒说。
BHI小组建立在1963年,并且当年取得了一项重大的进展,当时数学家罗伊·克尔解出了一个旋转黑洞的爱因斯坦方程,这比史瓦西提出的情况更现实,因为几乎宇宙中的一切都在旋转。这个问题比史瓦西的更难,因为旋转的物体在中心有凸起,因此缺乏球面对称性。克尔的解决方案明确地描述了旋转黑洞外的区域,而不是黑洞内部。
克尔的黑洞仍然有些不切实际,因为它占据了一个没有物质的空间。BHI的研究人员意识到,这可能会使黑洞变得不稳定。即使是单个粒子的加入,也会极大地改变黑洞内部的时空几何结构。为了使他们的模型更真实、更稳定,他们在理论黑洞内和周围撒上了一种叫做“基本标量场”的特殊物质。虽然最初的克尔的解决方案关注的是一个“永恒的”黑洞,它一直存在,但在BHI的分析中,黑洞是由引力坍缩形成的,就像宇宙中大量存在的黑洞一样。
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来自:sias16846  > 宇宙学
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