霍金 50 年前提出的猜想被顛覆了！數(shù)學(xué)家們最新證明，極端黑洞可能存在。
這與霍金等人在 1973 年提出的黑洞熱力學(xué)第三定律相悖。
極端黑洞是一種非常特殊的情況，指黑洞表面或事件視界的引力為零，它的表面不吸引任何東西，但是如果把粒子推出到黑洞中心，還是無法逃逸。而且由于黑洞的溫度與表面重力成正比，表面重力不存在即意味著黑洞沒有溫度，無法發(fā)射熱輻射。
這又與霍金輻射理論相違背，該理論提出黑洞不是完全“黑暗”的，而是能以特定方式緩慢向外輻射能量，從而逐漸失去質(zhì)量并最終可能消失。
但是來自 MIT 的克里斯托夫?凱勒（Christoph Kehle）和斯坦福大學(xué)的瑞安?昂格爾（Ryan Unger）用數(shù)學(xué)方法證明，這種情況可能存在。
而且它們還證明，極端黑洞存在并不會導(dǎo)致裸奇點(diǎn)存在。諾獎(jiǎng)得主彭羅斯之前提出，自然界不允許裸奇點(diǎn)存在，如果它存在將破壞宇宙因果性，奇點(diǎn)附近的空間區(qū)域可能會允許違反因果關(guān)系的行為，導(dǎo)致時(shí)間和空間在局部變得不再有序。
哥倫比亞大學(xué)數(shù)學(xué)家艾琳娜?喬治（Elena Giorgi）評價(jià)：
這是數(shù)學(xué)回饋物理學(xué)一個(gè)很棒的例子。
極端黑洞是什么？
自然界中絕大多數(shù)黑洞都是旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)帶電荷的物質(zhì)掉入黑洞后，因?yàn)榻莿恿渴睾?，黑洞自旋轉(zhuǎn)速度會增加，同時(shí)黑洞本身也會帶上電荷。理論上，隨著黑洞吸入越來越多物質(zhì)，它的電荷量和轉(zhuǎn)速將會無限大，這樣就會出現(xiàn)極端黑洞。
對于極端黑洞，只要再加上任何一點(diǎn)電荷，它的視界就會消失，并留下一個(gè)裸奇點(diǎn)。而且它的表面不再吸引任何東西。
1973 年，霍金、約翰?巴丁、布蘭登?卡特提出，極端黑洞不可能形成。
這條定律指出黑洞的表面引力不可能在有限時(shí)間內(nèi)降至 0，三位科學(xué)家認(rèn)為任何允許黑洞的電荷或自旋達(dá)到極限的過程都有可能導(dǎo)致黑洞視界完全消失。
學(xué)界普遍認(rèn)為沒有視界的黑洞（即裸奇點(diǎn)）是不可能存在的。此外，由于黑洞的溫度和表面重力呈正比，如果沒有表面重力黑洞也不會有溫度，這樣黑洞就無法發(fā)射熱輻射。但是霍金提出，向外發(fā)出輻射是黑洞的必備屬性。
1986 年，物理學(xué)家沃納?伊斯雷爾（Werner Israel）曾試圖模擬用一個(gè)普通黑洞構(gòu)建極端黑洞，并試著讓它自旋更快、帶上更多電荷，但最終結(jié)論表明，這樣做并不能讓黑洞的表面重力在有限時(shí)間內(nèi)降低到 0。
無心插柳找到證明方法
凱勒和昂格爾本身并沒有在研究極端黑洞。他們是在琢磨帶電黑洞如何形成時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)可以構(gòu)建一個(gè)具有極高電荷量的黑洞，這是極端黑洞的一個(gè)重要標(biāo)志。
他們從一個(gè)不旋轉(zhuǎn)、沒有電荷的黑洞開始，模擬它被放置到標(biāo)量場中可能發(fā)生的情況。
他們利用磁場脈沖沖擊黑洞，給它增加電荷。這些脈沖為黑洞提供了電磁能量，也增加了黑洞的質(zhì)量。通過發(fā)射漫射的低頻脈沖，就能讓黑洞質(zhì)量（M）的增速大于電荷（q）的增速。
按照分類，當(dāng) | q|=M 時(shí)，代表極端黑洞形成；|q|M 時(shí)為非極端黑洞。如果質(zhì)量增速超過電荷增速，意味著黑洞能從亞極端狀態(tài)向極端狀態(tài)轉(zhuǎn)變。
論文不僅提出了一種新的特征粘連方法，而且展示了如何構(gòu)造黑洞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、分析了黑洞形成和演化的過程，包括從規(guī)則初始數(shù)據(jù)出發(fā)的引力坍縮以及黑洞外部的幾何結(jié)構(gòu)等。
不過需要注意的是，盡管利用數(shù)學(xué)方法證明了極端黑洞理論存在，但是也不能說明極端黑洞一定存在。
理論中的例子具有最大電荷量，但是目前人類還沒有觀測到明顯帶有電荷的黑洞。找到一個(gè)快速自旋的黑洞更有可能，所以凱勒和昂格爾還想構(gòu)建一個(gè)模型，讓黑洞能夠在自旋速度上達(dá)到極限。
但是構(gòu)建這樣一個(gè)模型在數(shù)學(xué)上的挑戰(zhàn)更大。目前他們才剛剛開始著手研究。一直以來，凱勒和昂格爾都在嘗試?yán)脭?shù)學(xué)方法探索黑洞的秘密。2023 年，凱勒和老師艾琳娜等還通過一項(xiàng) 1000 頁的研究證明，數(shù)學(xué)意義上，緩慢自旋的黑洞是穩(wěn)定的。這對于驗(yàn)證廣義相對論很重要，因?yàn)槿绻跀?shù)學(xué)意義上不穩(wěn)定，那么可能意味著基礎(chǔ)理論存在問題。
而今年最新發(fā)表的研究，不僅顛覆了霍金提出的猜想，也為廣義相對論、量子力學(xué)、弦理論等前沿領(lǐng)域研究提供新見解。
參考鏈接：
https://www.quantamagazine.org/mathematicians-prove-hawking-wrong-about-extremal-black-holes-20240821/
本文來自微信公眾號：量子位（ID：QbitAI），作者：明敏
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