在黑洞里，时间和空间不再存在？这个理论的诞生是为了拯救爱因斯坦的方程，但最终被无情地推翻了。

本文是在微信公众号“全球科学”(标识:邱欢·薛蝌)的授权下转载的。< br>

请联系

爱因斯坦广义相对论方程来预测黑洞的存在，但在处理旋转黑洞时，遇到了一个难题——爱因斯坦方程无法预测柯西视界中的时空是什么样子将近40年前，为了解决这个难题，著名物理学家罗杰.彭罗斯提出了强宇宙审查假说。去年秋天，普林斯顿大学和斯坦福大学的两位数学家在他们的论文中驳斥了这个猜想。他们的工作回答了广义相对论中最重要的问题之一，改变了我们对空间和时间的看法。

写作|凯文·哈特内特

翻译|张

校订|常晶晶

“我个人认为这是一个非常显著的成就，它使我们对广义相对论的理解有了质的飞跃普林斯顿数学家伊戈尔·罗德尼斯基谈到这项研究时说

强宇宙审查假说是由有影响力的物理学家罗杰·彭罗斯在1979年提出的其目的是为了避免一个难题:几十年来，爱因斯坦的广义相对论被认为是描述宇宙中大规模现象的最佳理论。然而，20世纪60年代数学的进步表明，爱因斯坦的方程在描述黑洞时是不一致的。彭罗斯认为，如果强大的宇宙审查假说是正确的，那么宇宙的不可预测性只是一个数学问题，而不是对物理世界的真实描述。

”彭罗斯的猜想基本上是让这种不一致的情况自行消失。”普林斯顿数学家米哈利斯·达佛莫斯说

和数学家的工作粉碎了彭罗斯的梦想。但同时，这些工作也以另一种方式证实了彭罗斯的想法。结果表明，他对黑洞物理定律的直觉是正确的，但真正的原因与他的猜测不同。

这篇论文的两位作者:达沃斯(左)和卢克(右)

相对论的致命伤害

在经典物理学中，宇宙是可预测的:如果你知道控制物理系统及其初始状态的定律，你就能预测这个系统的未来演化。无论是用牛顿定律来预测台球的停止位置，用麦克斯韦方程来描述电磁场，还是用爱因斯坦的广义相对论来预测时空形态的演变，这个标准都是正确的。“这是自牛顿力学以来经典物理学的基本原理，”苏黎世联邦理工学院的数学家、爱因斯坦场方程研究员德梅特里奥斯·克里斯托多罗说。“你可以从最初的数据判断它的进化过程

但是在20世纪60年代，数学家发现了一种物理情况，在这种情况下，广义相对论的核心爱因斯坦的场方程不能描述一个可预测的宇宙。数学家和物理学家已经注意到，当他们模拟旋转黑洞内部的时空演化时，有些事情并不完全正确。

为了更好地理解哪里出了问题，想象一下你掉进了一个黑洞。首先，你跨越了事件视界。进入事件范围后，您将无法返回。在这里，爱因斯坦的场方程仍然适用，可以为未来的时空演化提供确定性的预测。

，但是当你继续接近黑洞的内部时，你最终会穿过第二个视界，它被称为柯西视界这里的事情开始变得奇怪了。爱因斯坦的场方程开始产生各种可能的时空分布描述这些描述是不同的，但它们都满足场方程。广义相对论不能告诉我们哪个选项是正确的。对于物理理论来说，这是致命的加拿大圭尔夫大学的物理学家埃里克·泊松说:“我们对广义相对论的不可预测性感到非常困惑为了修复爱因斯坦场方程的可预测性，彭罗斯提出了强宇宙审查假说这个猜想认为柯西视界只是一个数学猜想。它可能存在于一个理想的情况下，在这个情况下，宇宙中唯一的物质只是一个旋转的黑洞——显然，这种情况在现实中是不存在的。

Penrose支持这种说法的原因是柯西视界极其不稳定。他说任何穿过柯西视界的引力波都可以将柯西视界坍缩成一个奇点，使它成为一个撕裂空间和时间的无限密度区域。因为真实的宇宙充满引力波，柯西视界不会以自然状态存在。

因此，问柯西视界发生了什么是没有意义的，因为根据广义相对论，时空根本不存在于柯西视界。“这是摆脱这种哲学困境的方法之一”达沃斯说

拯救黑洞

，达福莫斯和斯坦福数学家乔纳森·卢克已经证明柯西视界的情况并不那么简单他们的工作非常聪明，驳斥了彭罗斯关于强大的宇宙审查假说的最初陈述，但没有完全否定其精神。他们的工作基于十年前达沃斯研究生导师赫里斯托多洛提出的一种方法。达沃斯和卢克证明了柯西视界确实可以形成一个奇点，但这个奇点不是彭罗斯预言的那个。达沃斯和卢克的研究工作中的奇异之处比彭罗斯的更“温和”。他们原本期望找到一个强的“类空间”奇点，但他们发现了一个弱的“类光”奇点这个较弱的奇点会给时空结构一个拉力，但不会摧毁它。“我们的定理表明，观察者在穿过柯西地平线时不会被潮汐力撕裂他们会感到被拉，但不会被撕裂。”戴夫·莫斯在邮件中回答道

由于柯西视界中形成的奇点不如强宇宙审查假说那样强，当考虑柯西视界内部时，广义相对论并没有立即被踢出。“定义柯西视界仍然有意义，因为时间和空间可以延续到柯西视界剑桥大学的物理学家哈维·雷尔说

图像来源:量子杂志

达佛斯和卢克证明空间和时间可以扩展到柯西视界他们还证明了从同一个起点出发，有很多扩展的方法:通过地平线“你有很多选择，我们没有理由喜欢其中的一条。””达沃斯说

他们的工作有一个微妙之处:这些时间和空间的非唯一扩展路径并不意味着爱因斯坦的场方程在描述地平线内部时会被混淆。

爱因斯坦场方程由时间和空间随时间的变化来表示它是用数学语言来描述的，即空间和时间的初始状态的推导。为了能够推导，时间和空间必须是平滑的，没有不连续的跳跃达摩司和卢克说，虽然时空存在于柯西视界，但扩展的时空不够平滑，无法满足建立爱因斯坦场方程的条件。因此，即使强宇宙审查假说被证明是错误的，不能直接使用场方程仍然避免了不仅输出结果的尴尬。

”谈论柯西地平线是有意义的；然而，你不能把它的内部看成是爱因斯坦场方程的解，”里尔说。“在我看来，他们已经给出了令人信服的证据，证明这个解释是正确的“

你也可以把这个结果看作是一个令人失望的妥协:尽管你可以在柯西视界中扩展空间和时间，但你不能用爱因斯坦场方程来解它但正是这种中间地带的存在，使得达沃斯和卢克的工作非常有趣。

原始链接:

编辑器:yangfz

单击此处查看所有以前的热门文章