摘要：两个盲点折磨着物理学家：宇宙的诞生和黑洞的中心。前者可能感觉像是某个时刻，后者可能感觉像是空间中的一个点，但在这两种情况下，通常交织在一起的时空线索似乎都短暂地停止了。这些神秘的点被称为奇点。
在黑洞的奇异点上，时间似乎停止了，预测变得不可能。 Mark Belan/广达杂志
由查理·伍德 特约撰稿人
两个盲点折磨着物理学家：宇宙的诞生和黑洞的中心。前者可能感觉像是某个时刻，后者可能感觉像是空间中的一个点，但在这两种情况下，通常交织在一起的时空线索似乎都短暂地停止了。这些神秘的点被称为奇点。
奇点是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论的预测。根据这个理论，物质或能量的团块使时空结构向自身弯曲，这种曲率会感应出引力。将足够多的东西装进一个足够小的地方，爱因斯坦的方程似乎预测了时空将在那里无限陡峭地弯曲，因此引力会变得无限强大。
然而，大多数物理学家并不相信爱因斯坦的理论对这些点的真实情况说了很多。相反，奇点被广泛视为“数学产物”，如刘宏（打开新标签页）麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的物理学家说，而不是“出现在任何物理宇宙中”的物体。它们是广义相对论失效的地方。预计奇点将在爱因斯坦的时空图景所近似的更基本的引力理论中消失——量子引力理论。
但是，随着物理学家通过合并广义相对论和量子物理学来迈向更真实、更完整的理论，奇点被证明是难以消除的。英国数学物理学家罗杰·彭罗斯 （Roger Penrose） 因证明（打开新标签页）在 1960 年代，奇点将不可避免地出现在一个完全由时空组成的空宇宙中。最近的研究将这种洞察力扩展到更现实的情况。一篇论文既定（打开新标签页）一个有量子粒子的宇宙也会有奇点，尽管它只考虑了粒子根本不会弯曲时空结构的情况。然后，今年早些时候，一位物理学家证明（打开新标签页）这些瑕疵甚至存在于量子粒子确实略微推动时空本身的理论宇宙中——也就是说，宇宙与我们自己的宇宙非常相似。
这三部曲的证明挑战物理学家面对这样一种可能性，即奇点可能不仅仅是数学上的海市蜃楼。它们暗示我们的宇宙实际上可能包含时空磨损如此严重以至于无法辨认的点。没有物体可以经过，时钟滴答作响。奇点定理邀请研究人员努力解决这些点的性质，并追求一种更基本的理论，以阐明如果时间真的停止，会发生什么可能会继续。
卡尔·施瓦茨柴尔德 （Karl Schwarzschild） 首次发现安排（打开新标签页）1916 年，就在爱因斯坦发表广义相对论几个月后，时空出现奇点。物理学家花了数年时间才理解“史瓦西解决方案”的奇异特征。时空呈现出类似于漩涡的形状，随着你深入，漩涡的墙壁会越来越陡峭;在底部，时空的曲率是无限的。漩涡是不可避免的;它有一个球形边界，可以捕获落入其中的任何东西，甚至是光线。
物理学家花了几十年的时间才接受这些不可思议的天体最终称为（打开新标签页）黑洞，可能真的存在。
英国数学物理学家罗杰·彭罗斯 （Roger Penrose） 证明，给定两个简单的假设，时空必须在称为奇点的点结束。
J. 罗伯特·奥本海默 （J. Robert Oppenheimer） 和哈特兰·斯奈德 （Hartland Snyder）1939 年计算（打开新标签页）如果一颗完美的球形恒星在引力作用下坍缩到一个点，它的物质将变得如此密集，以至于它将把时空拉伸成一个奇点。但真正的恒星会冒泡和搅动，尤其是在内爆时，因此物理学家想知道它们的非球形是否会阻止它们形成奇点。
彭罗斯在 1965 年消除了对几何完美的需求。他具有里程碑意义的证明依赖于两个假设。首先，您需要一个光线永远无法逃脱的“困住表面”。如果用灯泡覆盖这个表面并打开它们，它们的光线向内下落的速度会比向外传播的速度快。至关重要的是，这个光壳会缩小，无论它最初是一个完美的球体、一个有凹陷的高尔夫球，还是更畸形的东西。
其次，时空应该始终以光线相互弯曲但永远不会发散的方式弯曲。简而言之，引力应该是有吸引力的，只要能量永远不会为负，情况就是如此。
凭借这两个规定，彭罗斯证明了至少一种被捕获的光线的死亡率。它穿越时空的永恒旅程必须在一个奇点结束，在这个点上，时空结构不复存在，光线没有未来可以进入。这是奇点的新定义，不同于 Schwarzschild 解的无限曲率。它的普遍性使彭罗斯能够在三页（打开新标签页）数学的 S Of，在他的两个假设下，奇点将不可避免地形成。
彭罗斯 1965 年证明奇点定理的论文中的一个手绘图形显示了时空坍缩形成奇点。自爱因斯坦以来，这篇论文被称为“广义相对论中最重要的论文”。
Roger Penrose，美国物理学会物理评论快报
“彭罗斯的论文可能是除了爱因斯坦的原始论文之外，广义相对论中最重要的论文，”他说杰夫·彭宁顿（打开新标签页），加州大学伯克利分校的物理学家。
斯蒂芬·霍金很快将彭罗斯的论点扩展到早期宇宙，证明（打开新标签页）广义相对论所描述的宇宙一定是在大爆炸期间从一个单一的点冒出来的。这个宇宙学奇点类似于一个黑洞，如果你想象倒带宇宙的历史，光线会在时间开始时撞到一堵墙。
多年来，物理学家积累了大量证据，证明黑洞存在，宇宙始于一个看起来非常像大爆炸的事件。但这些现象真的代表了时空奇点吗？
许多物理学家发现这些点的实际存在是不可想象的。当你试图计算接近奇点的粒子的命运时，广义相对论会出现故障，并给出不可能的无限答案。“奇点意味着缺乏可预测性，”刘说。“你的理论就崩溃了。”
但现实世界中的粒子必须有某种命运。因此，一个可以预测这种命运的更普遍的理论——很可能是量子理论——必须接管。
广义相对论是一种经典理论，这意味着时空每时每刻都呈现出一种形状，而且只有一个形状。相比之下，物质是量子力学的，这意味着它可以同时具有多种可能的状态——这一特征被称为叠加。由于时空会对其中的物质做出反应，理论家预计，任何占据两个不同位置的物质粒子在叠加中都应该迫使时空发生两种扭曲的叠加。也就是说，时空和引力也应该遵循量子规则。但物理学家还没有弄清楚这些规则是什么。
理论家们以剥洋葱的方式来寻求量子引力理论：一层一层。每一层都代表一个宇宙理论，它与真实宇宙并不完全接近。你走得越深，你能捕捉到的量子物质和时空之间的相互作用就越多。
德国物理学家兼士兵卡尔·施瓦茨柴尔德 （Karl Schwarzschild） 计算了时空围绕一个大质量点的形状。多年后，物理学家意识到这种几何学包含一个奇点。
公有土地
彭罗斯在洋葱的最外层工作。他使用了广义相对论，完全忽略了量子。实际上，他证明了当时空结构完全没有任何量子物质时，它就具有奇点。
物理学家渴望有一天能到达洋葱的核心。在其中，他们会找到一个理论，它同时描述了时空和物质的所有量子荣耀。这个理论不会有盲点——所有的计算都应该产生有意义的结果。
但是中间层呢？物理学家能否通过转向更量子、因此更现实的东西来解决彭罗斯奇点？
“这是一个明显的猜测，量子效应应该以某种方式修复奇点，”Penington 说。
他们在 2000 年代后期首次尝试这样做。将彭罗斯的证明限制在最外层的假设是能量从来都不是负的。这在日常的经典情况下是正确的，但在量子力学中却不是。能量在量子现象中至少是暂时的负值，例如卡西米尔效应，其中（实验表明）两个金属板在真空中相互吸引。负能量在黑洞辐射粒子的方式中发挥了作用，最终完全“蒸发”。洋葱的所有更深的量子层都将具有这种奇特的能量行为。
剥开顶层的物理学家是阿隆沃尔（打开新标签页），当时在马里兰大学，现在在剑桥大学。为了切入量子领域并放弃彭罗斯的能量假设，沃尔抓住了雅各布·贝肯斯坦 （Jacob Bekenstein） 在 1970 年代的一项理论发现。
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12月 13， 2024
贝肯斯坦知道，对于任何给定的太空区域，随着时间的推移，该区域的内容会变得更加混合。换句话说，熵（这种混合的量度）趋于增加，这一规则被称为热力学第二定律。在考虑包含黑洞的区域时，物理学家意识到熵来自两个来源。有标准来源——黑洞周围空间中量子粒子的排列方式。但黑洞也有熵，其数量取决于黑洞的表面积。所以该区域的总熵是一个总和：黑洞的表面积加上附近量子物质的熵。这个观察结果后来被称为“广义”第二定律（打开新标签页）.
沃尔“以理解广义第二定律为己任，”说拉斐尔·布索（打开新标签页）伯克利的物理学家。“他比地球上的其他人都以更清晰、更好的方式思考这个问题。”
到达洋葱的量子层意味着要容纳负能量和量子粒子的存在。为此，沃尔推断他可以取广义相对论中的任何表面积，并将这些粒子的熵添加到其中，正如广义第二定律所暗示的那样。彭罗斯对奇点定理的证明涉及被困表面。因此，Wall 将其升级为“量子捕获表面”。当他以这种方式重新修改彭罗斯的奇点定理时，它成立。即使在量子粒子存在的情况下也会形成奇点。墙发表了他的发现（打开新标签页）2010 年。
2010 年，现在剑桥大学的 Aron Wall 修改了 Penrose 的证明，以证明奇点存在于一个时空没有量子特性但充满了量子特性的粒子的世界中。
妮可·沃尔
“Aron 的论文是以更精确的方式将量子力学和引力相结合的开创性突破，”Penington 说。
剥开洋葱的经典外层（能量总是正的）后，沃尔到达了一个轻量子层——物理学家称之为半经典。在半经典世界中，时空引导量子粒子的旅程，但它无法对它们的存在做出反应。例如，半经典黑洞会辐射粒子，因为这是粒子经历扭曲成黑洞形状的时空的结果。但是时空——黑洞本身——实际上永远不会缩小，即使辐射将能量永远泄漏到虚空中。
这几乎是，但不完全是，真实宇宙中发生的事情。你可以看着一个黑洞辐射粒子一个世纪，却看不到它缩小了一纳米。但是，如果你能观察更长的时间——数万亿年——你会看到黑洞消失得无影无踪。
下一个洋葱层在招手。
Bousso 最近重新审视了 Wall 的证明，发现他可以更深入一些。黑洞在辐射时收缩的世界呢？在这种情况下，时空结构可以对量子粒子做出反应。
使用 Wall 和其他人自 2010 年以来开发的更精细的数学机制，Bousso 发现，尽管他的情景的量子性得到了增强，但奇点仍然存在。他发表了他的论文（打开新标签页）尚未经过同行评审。
加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）的拉斐尔·布索（Raphael Bousso）最近将沃尔的奇点证明扩展到一个由时空组成的宇宙，该宇宙会对量子粒子做出反应。
由 Raphael Bousso 提供
布索新定理的世界仍然以显着的方式与我们的宇宙背道而驰。为了数学上的方便，他假设有无限种类的粒子——这个不切实际的假设让一些物理学家怀疑这第三层是否比第二层更符合现实（有 17 个左右已知的粒子）。“我们没有无限数量的量子场，”他说埃德加·沙古利安（打开新标签页），加州大学圣克鲁斯分校的物理学家。
尽管如此，对于一些专家来说，布索的工作为彭罗斯和沃尔奇点的故事提供了一个令人满意的结局，尽管它有不切实际的大量粒子。它确定了奇点是无法避免的，即使在对量子物质有轻微反应的时空中也是如此。“仅仅通过添加小的量子校正，你无法阻止奇点，”Penington 说。Wall 和 Bousso 的工作“非常明确地回答了这一点”。
但布索定理仍然不能保证奇点必须在我们的宇宙中形成。
一些物理学家希望死胡同真的会以某种方式消失。看似奇点的东西实际上可能连接到其他地方。在黑洞的情况下，也许这些光线最终会进入另一个宇宙。
没有大爆炸奇点可能意味着我们的宇宙始于“大反弹”。这个想法是，以前的宇宙在引力的拉扯下坍缩时，以某种方式躲避了奇点的形成，而是反弹进入了一个膨胀期。正在开发反弹理论的物理学家通常在洋葱的第二层工作，使用半经典物理学，利用负能量子效应来绕过彭罗斯和霍金定理所需的奇点。鉴于新的定理，他们现在需要接受一个令人不安的事实，即他们的理论也违反了广义第二定律。
一位追求弹跳的物理学家，苏尔吉特·拉金德兰（打开新标签页）约翰·霍普金斯大学 （Johns Hopkins University） 的 John Hopkins 大学的 Thom 表示，他毫不畏惧。他指出，即使是广义的第二定律也不是福音真理。拒绝它会使奇点变得可避免，并使时空的延续成为可能。
奇点怀疑论者也可以诉诸于洋葱核心的理论，其中时空以真正的量子方式表现，例如采取叠加。在那里，没有什么是理所当然的。例如，定义面积的概念变得很困难，因此不清楚第二定律应该采取什么形式，因此新定理不成立。
然而，布索和志同道合的物理学家怀疑，一个没有面积概念的高量子竞技场无异于光线的死胡同，因此，彭罗斯认为是奇点的东西应该在核心理论和我们的宇宙中持续存在。宇宙的开始和黑洞的中心将真正标记出地图上时钟无法滴答作响和太空停止的边缘。
“在黑洞内部，我确信存在一些奇点的概念，”曾与沃尔合作过的麻省理工学院物理学家内塔·恩格尔哈特（Netta Engelhardt）说。
在这种情况下，仍然未知的量子引力基本理论不会扼杀奇点，而是揭开奇点的神秘面纱。这个更真实的理论将允许物理学家提出问题并计算出有意义的答案，但这些问题和答案的语言将发生巨大变化。位置、曲率和持续时间等时空量可能对描述奇点毫无用处。在那里，时间结束的地方，其他量或概念可能必须取而代之。“如果你非要让我猜猜，”佩宁顿说，“无论什么量子态描述奇点本身都没有时间概念。
来源：人工智能学家
