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暗洞内部时空不复存在理论被推翻!
发布时间: 2019-04-03 来源:未知 点击次数:

暗洞内部时空不复存在理论被推翻!

在今天的物理学界,暗洞理论益似已经成为被普及批准的主流。喜欢因斯坦的广义相对论方程预言了暗洞的存在,但在处理旋转暗洞时,却遭遇了难以解决的题目——在柯西视界内,喜欢因斯坦方程不及展望时空原形是什么样子的。近40年前,为晓畅决这个难题,著名物理学家罗杰·彭罗斯挑出了强宇宙监督倘若。往年秋天,两位别离来自普林斯顿大学和斯坦福大学的数学家在论文中逆对了这一推想。他们的做事回应了广义相对论中最主要的题目之一,转折了吾们对时空的望法。

“吾私人认为这是一项专门了不首的收获,它使吾们对广义相对论的晓畅有了质的飞跃。”普林斯顿大学的数学家伊戈尔·罗德尼扬斯基(Igor Rodnianski)如许评价这项钻研。

强宇宙监督倘若(strong cosmic censorship)是由极具影响力的物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)在1979年挑出的。它的方针是避开一个难题:曾经有几十年,人们认为喜欢因斯坦的广义相对论是描述宇宙中大尺度形象的最佳理论。然而20世纪60年代的数学挺进外明,喜欢因斯坦的方程在描述暗洞时会展现不自洽的情况。彭罗斯认为倘若强宇宙监督倘若是对的,宇宙的不走展望性就只是个数学题目,而不是对物理世界的实在描述。

“彭罗斯挑出的推想从根本上说,就是想让这个不自洽的情况本身息灭。”普林斯顿大学的数学家米哈利斯·达弗莫斯(Mihalis Dafermos)说道。

而数学家们的做事使彭罗斯的梦想幻灭。但同时,这些做事也以另一栽手段证实了彭罗斯的思想。效果外明他关于暗洞中物理法则的直觉是对的,只是真实的因为差别于他的推想。

暗洞内部时空不复存在理论被推翻!

这篇论文的两位作者:达弗莫斯(左)和卢克(右)

相对论的致命伤

在经典物理学中,宇宙是能够展望的:倘若你清新支配物理编制的定律和其初首状态,你就能够展望这个编制在异日的演化。这个准则,无论是在你用牛顿定律来展望一枚台球停下的位置,用麦克斯韦方程描述电磁场,或者用喜欢因斯坦的广义相对论来预言时空形式的演化时都是切确的。“这是从牛顿力学以来经典物理的根本准则,”苏黎世联邦理工学院的数学家、喜欢因斯坦场方程钻研者季米特里奥斯·赫里斯托祖卢(Demetrios Christodoulou)说,“你能够经历初首数据判定其演化过程。”

但在20世纪60年代,,数学家们发现了一栽物理情境,在这栽情境下,广义相对论的中央——喜欢因斯坦场方程无法描述一个可展望的宇宙。数学家和物理学家仔细到,当他们在模拟旋转的暗洞内部的时空演化时,有些地方不太对劲。

为了更益地理解是那里出了题目,想象一下你正失踪入一个暗洞中。最先你穿过事件视界,进入事件视界后你将无法返回。在这边,喜欢因斯坦场方程照样适用,能够对时空异日的演化挑供确定性的展望。

但是当你不息向暗洞内部挨近,最后你会经历第二个视界,这个视界称为柯西视界(Cauchy horizon)。在这边事情最先变得古怪。喜欢因斯坦场方程最先产生众栽能够的时空分布描述。这些描述各不相通,但它们都已足场方程。广义相对论无法通知吾们哪个选项是切确的。对于一个物理理论来说,这是致命伤。

添拿大圭尔夫大学的物理学家埃里克·普瓦松(Eric Poisson)说:“广义相对论中的不走展望性让吾们专门疑心。”

为了修复喜欢因斯坦场方程的可展望性,彭罗斯挑出了强宇宙监督倘若。这个推想认为柯西视界只是数学上的臆想。它能够在理想情况下存在,这栽情境下,宇宙中仅有的物质只是一个旋转的暗洞——隐微,这栽情况在实际中不会存在。

彭罗斯主张这个说法的因为是,柯西视界极其担心详。他说任何经过柯西视界的引力波都能使柯西视界坍缩成一个奇点,使之成为一个密度无穷大以至于扯破时空的区域。由于实在的宇宙中足够了引力波,柯西视界不会在自然状态下存在。

因此,咨询柯西视界之内发生了什么是异国意义的,由于按照广义相对论,柯西视界内时空根本不存在。“这是这个形而上学逆境的出路之一。”达弗莫斯评价道。

抢救暗洞

而达弗莫斯和斯坦福大学的数学家乔纳森·卢克(Jonathan Luk)表明,柯西视界内的情况并异国那么浅易。他们的做事相等奥妙,逆对了彭罗斯关于强宇宙监督倘若的最初外述,但却异国十足否定其中的精神。

他们的做事竖立在达弗莫斯的钻研生导师赫里斯托祖卢十年前挑出的形式之上,达弗莫斯和卢克表清新柯西视界实在能够形成一个奇点,但这个奇点不是彭罗斯展望的那栽。达弗莫斯和卢克钻研做事中的奇点比彭罗斯的更“温暖”,他们在正本展望找到强“类空”奇点(“space-like” singularity)的地方,发现了一个弱“类光”奇点(“light-like” singularity)。这个较弱的奇点会给时空组织一个拉力,但是不会损坏它。“吾们的定理外明,不悦目察者穿过柯西视界时不会被潮汐力扯破。他们会感觉到被拉扯,但是不会被扯破。” 达弗莫斯在邮件中回复道。

由于在柯西视界形成的奇点异国像强宇宙监督倘若中那么强,当考虑到柯西视界内部时,广义相对论异国立即被踢出局。“定义柯西视界照样有意义,由于时空能够一向一连至柯西视界内部。”剑桥大学的物理学家哈维·里尔(Harvey Reall)说。

暗洞内部时空不复存在理论被推翻!

图片来源:quanta magazine

达弗莫斯和卢克表清新时空能够向柯西视界内拓展。他们同时也表清新从相通的首首点起程,拓展的路径能够有很众栽:经历视界“你有很众条路径可选,而且吾们异国理由倾向于其中的某一条。”达弗莫斯说。

他们的做事有一个精妙之处:这些不唯一的时空的拓展路径并意外味着喜欢因斯坦场方程在描述视界内部时会乱套。

喜欢因斯坦场方程是经历时空随时间的转折来外达的。用数学说话描述,即对时空的初首状态求导。为了能够求导,时空必须是平滑的,不存在不不息的跳跃。达弗莫斯和卢克外示,尽管时空在柯西视界内存在,但这个拓展出的时空不足平滑,不及已足喜欢因斯坦场方程成立的条件。因而,即使强宇宙监督倘若被表明是舛讹的,不及直接使用场方程照样避免了输出效果不唯一的难堪。

“谈论柯西视界是有意义的;然而,你不及将其内部视为喜欢因斯坦场方程的一个解,”里尔说,“在吾望来,他们已经给出了令人钦佩的证据外明如许的注释是切确的。”

人们认为太空中一片漆暗,而实际上太空中散布着很众迢遥众彩的星球,让你益似置身于长期清明的太空中。宇宙暗洞如地球的暗夜,能够暗洞就是宇宙的暗夜,维持着宇宙的能量均衡。暗洞内里原形什么样子,现在并异国清晰的应案。但是世界各地的顶尖科学家还在一连追求发现宇宙新景不悦目,从而进一步细腻回应吾们的各栽疑问,最后的应案总有镇日会浮出水面!​​​