
物理学有一个让人坐立不安的角落,那就是黑洞的中心。
按照爱因斯坦广义相对论的预言,黑洞中心存在一个奇点,密度无穷大,时空曲率无穷大,所有已知的物理定律在那里彻底失效。这不是一个让人满意的答案,更像是一块"此路不通"的警示牌,提醒我们现有理论在这里撞了墙。
现在,一位德国理论物理学家提出,这堵墙或许可以绕过去,而且不需要等待一套全新的物理学理论。
法兰克福理论物理研究所的弗朗切斯科·迪·菲利波在研究带电黑洞时,发现了一个此前被物理学界忽视的逻辑缺口。他的论文发表在《物理评论快报》上,这是物理学领域最权威的期刊之一。
故事要从彭罗斯奇点定理讲起。1965年,罗杰·彭罗斯从数学上严格证明,只要引力始终表现为吸引力,黑洞内部就必然存在某种形式的时空不完备性,要么是曲率奇点,要么是柯西视界。
曲率奇点是大多数人熟悉的那个概念,密度和时空弯曲程度趋向无穷大,物质被压缩进无限小的空间,方程给出毫无意义的无穷大结果。

引力坍缩终点的几种可能情景。(a) 有限时间内形成极端残余物;(b) 渐近形成极端黑洞;(c) 有限时间内完全蒸发;(d) 无限时间内完全蒸发;(e) 形成无视界残余物。在这五种情景中,前两种会导致柯西视界的形成,从而导致可预测性丧失,而其他情况则会导致没有柯西视界的规则时空。图片来源:Francesco Di Filippo
柯西视界则更微妙,它是一个边界,越过这个边界之后,未来就变得无法预测,因果律在这里不再适用。物理学的根基之一是:知道现在,就能预测未来。柯西视界意味着这个根基的局部崩塌。
霍金辐射曾经被视为一个可能的出路。1974年,斯蒂芬·霍金从量子力学出发,预言黑洞并非完全"黑",而是会以极其缓慢的速度向外辐射粒子,逐渐蒸发损失质量,最终消亡。
霍金辐射违反了彭罗斯定理所依赖的能量条件,理论上应当能够动摇奇点的必然性。但问题在于,对于天文尺度的黑洞,霍金辐射的强度极其微弱,蒸发时间远超宇宙的年龄,物理学界因此普遍认为这种效应不足以改变奇点定理的结论。
迪·菲利波注意到的正是这里。他认为,这个"霍金辐射太弱所以无关紧要"的判断,在带电黑洞的情况下并不成立。
带电黑洞在广义相对论中是一类有精确理论描述的对象,被称为赖斯纳-诺德斯特伦黑洞。携带电荷意味着黑洞内部存在电磁场,而电磁场产生的斥力会与引力的吸引作用相抗衡,在一定程度上抵制物质向中心无限压缩。
但电磁斥力单独作用,并不足以阻止奇点的形成。霍金辐射单独作用,效应又太微弱。
迪·菲利波的核心发现是:两者叠加在一起,产生的效果远超各自单独作用时的简单相加。
"电磁斥力和霍金蒸发单独都无法阻止可预测性的丧失,但它们结合起来却可以,"他在接受采访时直接说道。
他通过分析彭罗斯图来展示这个结论。彭罗斯图是一种把全部时空历史压缩在一张图上的表示工具,能够直观展现黑洞的整体结构和可能的演化路径。
在他的分析中,带电蒸发黑洞的演化存在多种可能的终点情景。其中有几种情景,黑洞最终以有限或无限的时间完全蒸发,或者留下一个没有视界的残余物,时空结构保持完整规则,既没有曲率奇点,也没有柯西视界。物理预测能力在这些情景中得到完整保留。
这个结果的更深层含义,在于它重新划定了解决奇点问题所需要的理论门槛。
物理学界长期的主流观点是:要真正处理黑洞奇点,必须等待一套完整的量子引力理论,也就是能够把广义相对论和量子力学统一起来的终极框架。弦理论、圈量子引力等方向都是这个目标的不同尝试,但迄今没有一个得到实验验证。
迪·菲利波的工作暗示,或许不需要等到那一步。在现有的半经典框架内,物质以量子力学方式处理,时空仍然保持经典描述,问题就已经有了可能的解决方向。
"这意味着解决黑洞内部病理问题可能不需要完整的量子引力理论,"他说,随即加上了清醒的限定,"我必须强调,我们仍处于非常早期的阶段,这一切都只是推测。"
这种谨慎是有必要的。目前没有任何观测技术能够探测黑洞内部发生的事情,这项研究完全是理论性质的,距离得到实验支持还有很长的路要走。
迪·菲利波接下来计划将分析扩展到旋转黑洞。自然界中几乎所有已知黑洞都在旋转,静止的带电球形黑洞是一种理想化的理论模型。他在论文中初步论证,旋转产生的角动量可能起到类似于电荷的作用,提供抵抗引力坍缩所需的额外斥力,从而在更接近真实的黑洞中实现类似的效果。
如果这个方向得到证实,黑洞中心必然存在奇点这一结论的适用范围将被大幅收窄,物理学对于宇宙中最极端天体的理解也将随之改写。