第一次瞥见黑洞中心附近存在的物理现象

第一次瞥见黑洞中心附近存在的物理现象

我们第一次瞥见黑洞中心附近存在的物理现象，是通过“环量子引力”得以实现的。环量子引力是一种利用量子力学将引力物理学扩展到爱因斯坦广义相对论之外的理论。环圈量子引力起源于宾夕法尼亚州立大学，后来被世界各地的许多科学家发展起来，它为现代物理学开辟了一个新的范式。该理论已经成为分析宇宙中某些地方的极端宇宙学和天体物理学现象的主要候选理论，比如黑洞，在那里广义相对论的方程不再有用。

之前在环圈量子引力领域非常有影响力的工作分析了大爆炸的量子性质，现在宾夕法尼亚州立大学的Abhay Ashtekar和Javier Olmedo以及路易斯安那州立大学的Parampreet Singh的两篇新论文将这些结果扩展到了黑洞内部。“我们今天拥有的最好的引力理论是广义相对论，但它有局限性，”物理学教授埃文?普(Evan Pugh)说。例如，广义相对论预言，宇宙中有一些地方引力是无限的，时空只是结束。我们把这些地方称为“奇点”。但就连爱因斯坦也同意，广义相对论的这种局限性源于它忽略了量子力学。

在黑洞的中心，引力是如此之大，以至于根据广义相对论，时空变得非常弯曲，最终曲率变得无穷大。这导致时空有锯齿状的边缘，超过这个边缘物理学就不复存在了——奇点。奇点的另一个例子是大爆炸。在广义相对论中，问大爆炸之前发生了什么是一个毫无意义的问题，因为时空结束了，以前没有。但是对爱因斯坦方程的修正使得研究人员能够将物理学扩展到大爆炸之外，做出新的预测。最近的两篇论文对黑洞奇点也做了同样的研究。

阿什特卡尔说:“环圈量子引力的基础是爱因斯坦的发现，即时空的几何结构不仅是宇宙事件发生的舞台，而且它本身就是一个可以弯曲的物理实体。”“作为一个物理实体，时空的几何是由一些基本单位构成的，就像物质是由原子构成一样。”这些几何单位——被称为“量子激发”——比我们今天的技术探测到的要小好几个数量级，但我们有精确的量子方程来预测它们的行为，寻找它们影响的最佳地点之一是黑洞的中心。根据广义相对论，在黑洞的中心引力是无限的，所以进入黑洞的一切，包括物理计算所需的信息，都失去了。这导致了著名的“信息悖论”，40多年来理论物理学家一直在努力解决这个问题。然而，环圈量子引力的量子修正允许排斥力的存在，这种排斥力甚至可以压倒经典引力的最强拉力，因此物理学可以继续存在。这打开了一条详细展示黑洞中心没有信息丢失的途径，研究人员正在研究这个问题。

有趣的是，尽管环量子引力在广义相对论崩溃的地方仍然有效——黑洞奇点，大爆炸——它的预测在远离奇点的不那么极端的情况下，与广义相对论的预测相当准确。路易斯安那州立大学的物理学副教授辛格说:“实现这两个目标是非常重要的。”事实上，在过去的十年里，许多研究人员已经探索了黑洞奇点的量子本质，但奇点要么占了上风，要么解决了它释放非自然效应的机制。我们的新工作没有这些限制。