傳統(tǒng)看法認(rèn)為大質(zhì)量恒星最終會坍塌成黑洞，但有些理論模型卻預(yù)測那會形成所謂的“裸奇點”，這是天文物理上懸而未決的重要問題
裸奇點的發(fā)現(xiàn)會為物理學(xué)上的統(tǒng)一理論提供直接的觀測，對該理論的影響甚巨
裸奇點是不被黑洞圍繞的空間-時間奇點 裸奇點在燃燒了億萬年后，恒星的燃料耗盡，無法再支撐自身的重量，于是開始災(zāi)難性的崩塌 像太陽這類大小適中的恒星會在崩塌成較小體積時，再度穩(wěn)定下來；但若是質(zhì)量更大的恒星，它的重力將壓過所有阻止坍塌的力量，使得恒星從原本數(shù)百萬公里的大小，塌縮至比英文字母“ i ”上的一點還微小 多數(shù)物理學(xué)家與天文學(xué)家認(rèn)為這個結(jié)果就是黑洞──一種具有強大引力而沒有任何東西能夠逃離其近旁的天體 黑洞的核心是個奇異點(singularity)，恒星上頭所有的物質(zhì)都縮進(jìn)了這個體積無限小的點，環(huán)繞在奇異點周邊的就是物質(zhì)無從逃脫的空間，其邊界稱為“事件視界” 任何物體一旦進(jìn)入事件視界之內(nèi)，就永遠(yuǎn)無法離開這個區(qū)域，就連物體所發(fā)出的光也會陷落其中，因此外界的觀測者再也看不到它 墜入的物體最終將撞毀在奇異點上 然而這個描述是否真確 從已知的物理定律，我們清楚知道奇異點會形成，但不怎么確定事件視界的存在 大部分物理學(xué)家實行的假設(shè)是視界必須存在，只因為以視界做為科學(xué)的屏障是非常誘人的概念 物理學(xué)家尚未完全理清奇異點上究竟怎么了：物質(zhì)是被壓垮了，但變成了什么呢 事件視界將奇異點藏匿起來，也阻隔了我們對它的探索；奇異點上可能發(fā)生各種未知的事情，但對外界不產(chǎn)生任何效應(yīng) 天文學(xué)家在描繪行星與恒星軌道時，完全不必考慮奇異點的影響，因為不論在黑洞里發(fā)生什么事情，都只會留在黑洞里 但是，越來越多的研究質(zhì)疑著這個一向被視為理所當(dāng)然的假設(shè) 在許多關(guān)于恒星坍塌的學(xué)說中，事件視界并未形成，因此奇異點其實就暴露在我們眼前，物理學(xué)家稱它為“裸奇點”，物質(zhì)與輻射可墜入也可彈出這個區(qū)域，也就是說，以往我們以為造訪黑洞里的奇異點是趟有去無回的旅程，但其實你卻可以在非常接近裸奇點后全身而退，并敘述你此行的見聞 假如欠缺事件視界的裸奇點真的存在，在奇異點附近發(fā)生的神秘事情將會沖擊外在的世界 裸奇點可以用來解釋天文學(xué)家已觀測到卻無法解釋的高能現(xiàn)象，并提供了一個探索時空最精細(xì)結(jié)構(gòu)的模型 奇異點顯然是個神秘的東西，它們是重力強度無限大的地方，已知的物理定律在此完全失效 根據(jù)物理學(xué)家當(dāng)前對重力的理解，奇異點潛藏在愛因斯坦的廣義相對論里，無可避免地會在巨大恒星崩塌的過程中產(chǎn)生 廣義相對論無法解釋主導(dǎo)著微觀世界的量子效應(yīng)，而量子效應(yīng)必將介入恒星坍塌的過程，以防止重力強度真的變成無限大，但物理學(xué)家對發(fā)展出可用來解釋奇異點的量子重力理論，仍一籌莫展 相較之下，要解釋在奇異點周圍發(fā)生的事情，似乎較為直接而容易 恒星的事件視界大小可達(dá)數(shù)公里，遠(yuǎn)大于量子效應(yīng)的尺度，假設(shè)沒有其它新的作用力介入，應(yīng)可單純地用廣義相對論來解釋 廣義相對論所根據(jù)的是我們已經(jīng)非常了解的原理，而且已通過了90年的觀測驗證 雖然如此，要將理論套用到恒星坍塌的現(xiàn)象，仍是件艱巨的工作 愛因斯坦的重力方程式是出了名的復(fù)雜，物理學(xué)家必須做些簡化的假設(shè)才能順利解出 美國物理學(xué)家歐本海默(J Robert Oppenheimer)與史奈德(Hartland S Snyder)在1930年代末期首開先例，為了簡化方程式，他們只考慮完美的球狀恒星，并假設(shè)它們是由密度均勻的氣體所構(gòu)成，且氣體壓力忽略不計 他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)這類理想恒星坍塌時，表面的重力會持續(xù)增加，最終強大到足以圈捕住所有的光與物質(zhì)，形成事件視界，恒星不再能被外界觀測者看到，之后更迅速塌縮成奇異點 另外，印度物理學(xué)家達(dá)特(B Datt)也獨立做出同樣的結(jié)果 當(dāng)然，真實的恒星復(fù)雜多了 它們的密度并不均勻，而且氣體會施加壓力，同時有各種形狀 是否每個質(zhì)量夠大的恒星都會變成黑洞呢 1969年，英國牛津大學(xué)的物理學(xué)家彭若斯(Roger Penrose)認(rèn)為答案是肯定的 他推測在恒星坍塌時，需形成事件視界才能形成奇異點，由于總是被視界遮住，大自然并不允許我們窺看奇異點 彭若斯的猜想被稱為宇宙審查假說，雖然只是個猜測，卻鞏固了現(xiàn)代黑洞研究 物理學(xué)家希望能夠以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)來證明這個假說，就像當(dāng)初證明奇異點是不可避免的那樣 然而這樣的期望并沒有實現(xiàn) 我們沒有提出任何關(guān)于宇宙審查假說的直接證明，反而開始一一分析重力坍塌的各種狀況，借著增加理想化模型所欠缺的性質(zhì)，逐漸讓我們的理論模型更準(zhǔn)確 1973年，德國物理學(xué)家塞費德(Hans Jürgen Seifert)與同事考慮了密度不均勻的恒星 非常有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)密度不同的各層物質(zhì)在坍塌時，彼此會有交互作用而短暫地產(chǎn)生不被視界遮蔽的奇異點 在眾多不同的奇異點類型中，這種奇異點算是相當(dāng)溫和的，雖然密度會在某處變得無限大，重力強度卻不會，所以奇異點并未將墜入的物體擠壓成一個無限小的點 因此，廣義相對論沒有失效，而物質(zhì)也可以行經(jīng)該處，而非步入終點 1979年時，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的爾德黎(Douglas M Eardley)與伊利諾大學(xué)香檳分校的斯馬爾(Larry Smarr)更進(jìn)一步以數(shù)值計算，仿真具有真實密度剖面(中心密度最高并逐漸向表面遞減)的恒星，蘇黎士瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的克利斯托杜洛(Demetrios Christodoulou)則在1984年以紙筆重復(fù)相同的計算 這兩項研究結(jié)果都一樣，恒星體積收縮成零，并產(chǎn)生裸奇點 但此模型仍忽略了壓力，所以當(dāng)時在英國約克大學(xué)的紐曼(RichardP A C Newman)再度證實了這種奇異點的重力并不強勁 受到這些發(fā)現(xiàn)的激勵，包括我在內(nèi)的許多研究人員試圖制定一個嚴(yán)格的定理：裸奇點的重力一定很微弱 然而我們并沒有成功，原因很快就被厘清了：裸奇點并不都是微弱的 我們發(fā)現(xiàn)了許多不均勻坍塌的學(xué)說，可產(chǎn)生具有強大重力、能真正將物質(zhì)擠壓至無形的奇異點，同時可被外界看見 當(dāng)時任職于印度阿格拉大學(xué)的德雷斯·德維韋迪(Indresh Dwivedi)于1993年發(fā)展出在不考慮氣體壓力下對恒星坍塌的一般分析，厘清并確認(rèn)了這些觀點 1990年代早期，物理學(xué)家開始考慮氣體壓力的效應(yīng) 以色列技術(shù)學(xué)院的歐瑞(Amos Ori)與耶路撒冷希伯來大學(xué)的皮蘭(Tsvi Piran)進(jìn)行數(shù)值模擬，而我的團(tuán)隊則精確解出相關(guān)的方程式，證實了具備真實密度與壓力關(guān)系的恒星，是能夠塌縮成裸奇點的 約莫同時，意大利米蘭理工大學(xué)的馬格利(Giulio Magli)與日本大阪市立大學(xué)的中尾健一的兩支團(tuán)隊，都將塌縮的恒星內(nèi)由粒子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的一種特殊型態(tài)的壓力加入計算，也顯示了在許多情況下，坍塌都會產(chǎn)生裸奇點 20世紀(jì)60年代末，研究黑洞的科學(xué)家們開始意識到一個另人擔(dān)憂的可能 當(dāng)一顆恒星坍縮成黑洞時，會有視界形成且掩蓋奇點，但在特定情形下，會形成不具有視界的黑洞 這樣就有可能看到奇點——而且甚至還能飛向它或飛離它 但是奇點具有無窮大的密度，這樣一來，許多物理定律就土崩瓦解了，任何事情都成為可能 更何況，沒有視界，就沒有什么可以保護(hù)周圍的宇宙空間：宇宙就會處于無序狀態(tài) “裸奇點”對于無畏的未來探索而言將是一個不可抗拒的研究項目 形成裸奇點的關(guān)鍵是克服產(chǎn)生視界的引力作用 兩種力可以達(dá)到這一目的：旋轉(zhuǎn)和電荷 如果坍縮形成黑洞的物體具有極高的轉(zhuǎn)速或強電場，反作用力就會產(chǎn)生內(nèi)視界 提高轉(zhuǎn)速或電荷將縮短內(nèi)外視界間的距離 轉(zhuǎn)速或電荷達(dá)到足夠的水平時，兩個視界會重疊并完全消失，因而使奇點暴露出來 在真正的宇宙中，坍縮的星體無法聚集足夠的電荷以反作用于引力，但是轉(zhuǎn)速極高的星體最終有可能成為裸奇點 旋轉(zhuǎn)的黑洞具有內(nèi)視界和外視界，在其間的單向區(qū)域中，物體只能向內(nèi)運動 轉(zhuǎn)速更快的黑洞的內(nèi)視界更大，外視界更小，單向區(qū)域更薄 如果黑洞旋轉(zhuǎn)的足夠快，兩層視界可能重疊，單向區(qū)域消失，奇點便裸露出來，并且可以接近 量子泡沫吹走了裸奇點按照多年來公認(rèn)的恒星演化學(xué)說，大于5倍太陽質(zhì)量的恒星在其自身引力的作用下，演化終點將是一個黑洞 而按照愛因斯坦的廣義相對論，在許多情況下，這樣的恒星將坍縮為一密度無窮大體積為零的裸奇點(Naked singularity)，在那里，物理定律被破壞，因而任何事情都可能發(fā)生 為了避免這類麻煩局面的出現(xiàn)，1960年代中期，彭羅斯(RogerPenrose)和霍金(Stephen Hawking)提出了宇宙監(jiān)察(cosmic censorship)假說：將奇點遮掩在黑洞里面，使其不被觀測到但此假說迄今未得到令人信服的證明 為了破解這一難題，辛格(Param—preet Singh)等三位印度宇宙學(xué)家認(rèn)為環(huán)圈量子引力(loop quantum gravity，簡稱LQG)學(xué)說能說明上述恒星演化最后瞬間的情景，還能預(yù)見在此瞬間將會出現(xiàn)一可觀測到的特色信息 該學(xué)說是企圖統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對論的量子引力理論的一個主要競爭者 LQG 中，時一空本身由許多小包束，或量子，約束在一起成為一種泡沫 當(dāng)三位科學(xué)家用此理論去模擬極端條件事件導(dǎo)致一裸奇點時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)那個奇點實實在在地蒸發(fā)掉了，死亡的恒星在一巨大的粒子爆發(fā)聲中拋擲出它的全部質(zhì)量，從而阻止了奇點的形成 該模型還顯示此種爆發(fā)有一可觀察到的特點：恒星在其最后劇烈爆發(fā)前出現(xiàn)短暫的昏暗 辛格認(rèn)為這也是對LQG 學(xué)說一項難得的天文觀測驗證，如果該模型是正確的，還應(yīng)探測到同時發(fā)出的射線、宇宙線及中微子 一些空間探測器，如歐洲空間署計劃于2010年發(fā)射的極端宇宙空間天文臺(Extreme Universe Space Observatory)即可檢驗上述預(yù)見 可惜，宇宙監(jiān)察假設(shè)至今未被證明 由于找不到宇宙監(jiān)察假設(shè)能夠應(yīng)用于所有情況的直接證據(jù)，我們不得不踏上一條更漫長的探索之路——將初步分析中沒有考慮到的特征逐一添加到理論模型之中，對不同的恒星引力坍縮過程進(jìn)行細(xì)致的案例分析 1973年，德國物理學(xué)家漢斯·于爾根·塞弗特(Hans Jürgen Seifert)及其同事分析了恒星密度不均勻的情況 有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)不同的物質(zhì)層在坍縮下落過程中相互交錯，會產(chǎn)生出沒有視界遮掩的、持續(xù)時間很短的奇點 不過奇點也分很多種，這些奇點算是相當(dāng)“良性”的 盡管在某個位置密度變得無窮大，引力強度卻仍然有限，因此這個奇點不會將物質(zhì)和下落的物體擠壓成一個體積無窮小的點 廣義相對論不會在這里崩潰，物質(zhì)會穿過這個位置繼續(xù)下落，而不會在這里抵達(dá)終點 受到這些發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，包括我在內(nèi)的許多研究人員試圖嚴(yán)格歸納出一套定理，證明裸奇點的引力強度總是很弱 可惜，我們又沒有成功 失敗的理由很快就浮出水面：裸奇點的引力強度并不總是很弱 我們發(fā)現(xiàn)，一些不均勻坍縮過程可以產(chǎn)生真正的強引力奇點，能夠?qū)⑽镔|(zhì)擠壓到無形，并且外界觀測者仍然可以看到這些奇點 1993年，我和當(dāng)時就職于印度亞格拉大學(xué)(Agra University)的因德雷斯·德維韋迪(Indresh Dwivedi)合作，發(fā)展出一套不考慮氣體壓強的恒星坍縮通用分析方法，最終證實了上述觀點 1979年，美國加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的道格拉斯·M·厄德利(DouglasM Eardley)和伊利諾伊大學(xué)香檳分校的拉里·斯馬(Larry Smarr)更進(jìn)了一步，對一顆恒星的坍縮過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，這顆恒星的密度分布與真實恒星無異——中心處密度最高，越靠近表面密度越低 1984年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的季米特里奧斯·赫里斯托祖盧(Demetrios Christodoulou)完成了這種情況下恒星坍縮的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo) 這兩項研究都發(fā)現(xiàn)，這顆恒星的體積會收縮到零，最終形成一個裸奇點 不過這個模型仍然沒有考慮氣體壓強，當(dāng)時在英國約克大學(xué)工作的理查德·P·A·C·紐曼(Richard P A C Newman)也證明，那個奇點的引力強度仍然不大 20世紀(jì)90年代初，物理學(xué)家開始考慮氣體壓強的作用 以色列理工學(xué)院(Technion-IsraelInstitute of Technology)的阿莫斯·奧里(Amos Ori)和耶路撒冷希伯來大學(xué)(HebrewUniversity of Jerusalem)的茨維·皮蘭(TsviPiran)進(jìn)行了數(shù)值模擬，我的研究團(tuán)隊則從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格求出了相關(guān)方程的解，兩項研究的結(jié)論都是：密度-壓強關(guān)系遵從真實物理定律的恒星會坍縮形成裸奇點 大約同一時期，意大利米蘭理工大學(xué)(PolytechnicUniversity of Milan)的朱利奧·馬利(GiulioMagli)和日本大阪市立大學(xué)(Osaka City University)的中尾賢一(Kenichi Nakao)各自帶領(lǐng)研究小組，考慮了一顆坍縮恒星內(nèi)部由粒子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的某種壓強 他們同樣證明，在許多情形下，坍縮最終會形成一個裸奇點 這些研究分析的恒星都是完美球體 這個限制條件看似十分嚴(yán)格，實際上卻并非如此，因為自然界中大多數(shù)恒星的形狀都非常接近完美球體 要說形狀因素有影響的話，球狀恒星其實比其他形狀的恒星更有利于事件視界的形成，因此，如果宇宙監(jiān)察假說對球狀恒星都無法成立，它的前途似乎就大大不妙了 盡管如此，物理學(xué)家仍然在不懈地探索非球狀恒星的坍縮 1991年，美國伊利斯伊大學(xué)的斯圖爾特·L·夏皮羅(Stuart L Shapiro)和康奈爾大學(xué)的紹爾·A·托伊科爾斯基(Saul A Teukolsky)進(jìn)行了數(shù)值模擬，表明橢圓形的恒星可以坍縮成一個奇點 幾年后，我和波蘭科學(xué)院的安杰伊·克魯拉克(Andrzej Królak)合作研究了非球?qū)ΨQ坍縮，結(jié)果同樣產(chǎn)生了裸奇點 必須指出的是，這兩項研究都沒有考慮氣體壓強 一些持懷疑態(tài)度的人已經(jīng)提出質(zhì)疑：這些裸奇點會不會是人為設(shè)計的結(jié)果 如果對這些模型中恒星的初始性質(zhì)稍加改動，坍縮過程是不是就會完全不同，最終形成一個事件視界遮蔽那個奇點?果真如此的話，裸奇點可能就是計算過程中采用近似方法而造成的人為假象，并不會真正在自然界中形成 一些涉及物質(zhì)異常形態(tài)的模型確實對初始條件非常敏感 不過我們的研究結(jié)果證明，大多數(shù)裸奇點在初始條件細(xì)微改變之后仍然穩(wěn)定存在 因此，這些坍縮模型在物理學(xué)上似乎站得住腳——也就是說，裸奇點并不是人為設(shè)計的結(jié)果 這些與彭羅斯猜測恰恰相反的例子，表明宇宙監(jiān)察假說并不是一條不可違背的自然準(zhǔn)則 物理學(xué)家無法斷言：“任何大質(zhì)量恒星的坍縮都只能產(chǎn)生一個黑洞”，或者“任何物理學(xué)上切實可行的坍縮最終結(jié)果都是黑洞” 在一些情況下，恒星會坍縮成黑洞;而在其他情況下，坍縮會形成一個裸奇點 在一些模型中，奇點只是暫時裸露，最終事件視界還會形成，并把奇點遮蔽起來;而在其他模型中，奇點永遠(yuǎn)裸露在外 裸奇點通常形成于恒星坍縮的幾何中心，但并不總是如此;就算裸奇點在幾何中心處形成，它也可能漂移到其他區(qū)域 奇點的裸露程度也分不同等級：事件視界能夠阻擋遙遠(yuǎn)的觀測者窺探奇點的好奇目光，但那些已經(jīng)落到事件視界以內(nèi)的觀測者，在撞上奇點之前有可能先看到它 裸奇點的多種多樣簡直令人不知所措 具體地說，我們不妨考慮一顆密度均勻的恒星，忽略氣體壓強（壓強會改變一些細(xì)節(jié)，但不會改變整個過程的大致走向） 隨著這顆恒星的坍縮，引力越來越強，運動物體的軌跡也越來越彎，就連光線也不例外 到了某一時刻，光線彎曲到一定程度，再也無法離開這顆恒星，一片能夠囚禁光的區(qū)域便形成了 這片區(qū)域最初很小，但隨即擴(kuò)大，最后穩(wěn)定下來，半徑正比于這顆恒星的質(zhì)量 與此同時，由于恒星密度在空間上均勻分布，只隨時間變化，因此整顆恒星會在同一時刻被擠壓到一點 光在此前就被囚禁了，因此，這個奇點自誕生時起就被永遠(yuǎn)隱藏了起來 我和同事已經(jīng)從這些模型中分離出了決定事件視界會不會形成的各種特征 確切地說，我們仔細(xì)檢查了密度不均勻性和氣體壓強的作用 根據(jù)愛因斯坦的理論，引力是一個十分復(fù)雜的現(xiàn)象，不僅涉及一種相互吸引的作用力，還涉及多種效應(yīng)——剪切效應(yīng)(shearing effect)就是其中之一，即不同的物質(zhì)層沿著相反的方向側(cè)向平移 一顆正在坍縮的恒星密度高到一定程度，按理說應(yīng)該能夠囚禁包括光線在內(nèi)的所有物質(zhì)，但如果恒星內(nèi)部密度分布不均勻，其他這些效應(yīng)就會打通一些“生路”， 讓物質(zhì)和光能夠逃脫困境 比方說，奇點附近物質(zhì)的剪切作用能夠觸發(fā)強大的激波，將物質(zhì)和光拋射出去——本質(zhì)上說，這就如同一場引力臺風(fēng)，攪亂了事件視界的形成 數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭羅斯（Roger Penrose）于1969年提出一項自然法則的猜想，被稱之為宇宙審查假說 此猜想陳述星體坍縮成奇點的過程，必須伴隨事界的產(chǎn)生；由于事界的存在，處于其內(nèi)的奇點無法被直接窺視 宇宙審查假說并未經(jīng)過直接驗證，而有些物理學(xué)家也質(zhì)疑宇宙審查假說的正確性 其透過理論預(yù)測，指出裸奇點的存在是有可能的 一些不同結(jié)構(gòu)、形狀的星體在坍縮過程中，并不如過去所分析的必然伴隨事界的產(chǎn)生 其中的例子如德國物理學(xué)家塞費德（Hans Jürgen Seifert）與其同僚在1973年所提出的密度不均勻星體的例子
