霍金的理论错了？极端黑洞或真存在，宇宙比我们想象的更疯狂
文摘
科学
2024-08-27 17:21
北京
几十年来，表面引力为零的黑洞被认为在理论上是不可能存在的，因为这可能会导致裸奇点的出现。但一项新的研究揭示，事实并非如此。
文 | 陈强
视觉设计 | 李梅
黑洞是宇宙中最神秘和最极端的天体之一，具有极强的引力，以至于没有任何东西可以从中逃脱。物理学家认为，一旦黑洞形成并稳定下来，它就只剩下三个基本属性：质量、电荷和角动量。这就是所谓的无毛定理。有趣的是，黑洞的这三个属性之间存在着一种联系。简单来说，对于给定的电荷和角动量，黑洞的质量不可能无限小，而是存在一个下限。当黑洞的质量恰好等于这个下限时，我们就把这个黑洞称为极端黑洞（extremal black hole）。极端黑洞有着许多奇怪的性质。最为特别的是，这种黑洞的表面引力为零。换句话说，在极端黑洞的事件视界（也就是黑洞的边界）上，引力消失了。然而，如果跨过事件视界进入黑洞，你仍然无法从中逃脱。但根据现有的物理理论，极端黑洞是不可能存在的，因为根本没有哪种机制能产生这种黑洞。然而，最近有两位数学家对这种观点提出了挑战。美国麻省理工学院的克里斯托夫·凯勒（Christoph Kehle）和斯坦福大学的瑞安·昂格（Ryan Unger）基于现有的物理定律，找到了在理论上产生极端黑洞的方法。1973年，英国物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）与美国物理学家杰姆斯·巴丁（James Bardeen）、澳大利亚物理学家布兰登·卡特（Brandon Carter）一起，提出了关于黑洞行为的四条定律。这些定律被称为黑洞热力学定律，类似于传统的热力学定律。在论文中，霍金等人证明了黑洞热力学的第零、一、二定律。
尽管并未给出相关证明，但霍金等人推断，黑洞热力学第三定律也应该成立。类似于热力学第三定律（不可能通过有限步骤使物体温度降低到绝对零度），黑洞热力学第三定律认为，不可能通过有限步骤使黑洞的表面引力降低到零。换句话说，极端黑洞是不可能存在的。霍金等人还提出，任何使黑洞变为极端黑洞的过程都有可能导致事件视界完全消失。事件视界一旦消失，黑洞就变成了裸奇点。然而，多数物理学家认为，裸奇点是不可能存在的。此外，由于黑洞的温度与表面引力成正比，表面引力为零的黑洞，其温度会是绝对零度。绝对零度的黑洞就不会产生热辐射，这与霍金后来提出的黑洞辐射理论相矛盾。1974年，霍金提出，黑洞可以通过一种量子效应产生热辐射。1986年，德国物理学家沃纳·伊斯雷尔（Werner Israel）发表了黑洞热力学第三定律的证明。伊斯雷尔指出，如果想把一个普通黑洞变为一个极端黑洞，可通过提高自转速度或添加更多带电粒子来实现。但他发现，这样做无法在有限时间内使黑洞的表面引力降至零。伊斯雷尔似乎证实了黑洞热力学第三定律。然而，凯勒和昂格发现，伊斯雷尔的证明存在着错误。在研究带电黑洞的形成机制时，凯勒和昂格意外发现了一种方法，可产生任何电荷与质量比的黑洞，包括电荷尽可能高的极端黑洞。凯勒和昂格假设，在一个有着均匀带电粒子的背景场中，存在一个不旋转且不带电的黑洞。然后，他们用场中的电脉冲轰击黑洞，为其增加电荷。这些脉冲也给黑洞输送了能量，使黑洞的质量增加。通过发送扩散的低频脉冲，这些数学家发现，电荷的增加速度快于质量的增加速度，从而能够在有限时间内产生极端黑洞。凯勒和昂格还研究了伊斯雷尔的证明，并发现了其错误之处。总之，他们证伪了黑洞热力学第三定律。那么，这是否意味着裸奇点是有可能存在的？答案是否定的。要想让极端黑洞的事件视界消失，可以继续增加它所携带的电荷。但凯勒和昂格发现，有着更多电荷的物质根本无法坍缩成黑洞，而会分散开来。所以说，他们的理论并不会导致裸奇点的产生。虽然凯勒和昂格证明了极端黑洞在理论上是可以存在的，但这并不意味着宇宙中确实存在这样的黑洞。他们设想的极端黑洞具有极高的电荷量。但迄今为止，天文学家尚未观测到带有强电荷的黑洞。相反，高速自转的黑洞却很常见。这两位数学家希望找到一种通过提高自转速度来产生极端黑洞的途径。但是，研究高速自转的黑洞极具挑战性，因为需要克服许多理论难题。尽管如此，对极端黑洞的深入研究可以为我们提供更多关于近极端黑洞的见解，而近极端黑洞被认为广泛存在于宇宙中。通过研究这些黑洞，我们不仅可以更好地理解黑洞的物理性质，还可以探究关于引力、空间和时间的本质。参考文献：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.57.397
https://arxiv.org/abs/2211.15742
https://arxiv.org/abs/2402.10190
https://arxiv.org/abs/2304.08455
https://www.quantamagazine.org/mathematicians-prove-hawking-wrong-about-extremal-black-holes-20240821/
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