裸奇点，霍金为它打了30年赌，物理学界为它吵成一锅粥

无论在如何的宇宙中，只要有量子引力的蛛丝马迹，物理学家城市求知若渴。

有一个问题已经困扰物理界多年：无限致密的奇点事实能否存在于黑洞之外，那将揭开量子引力的种种谜团。

奇点是光滑时空中的一个异类，爱因斯坦的典范引力理论在此崩溃，而未知的量子引力理论仍有待开展。它似乎始末覆盖在暗中之中，藏身于黑洞的事务视界之后。1969年，英国物理学家与数学家罗杰·彭罗斯爵士（Roger Penrose）揣测，因为某种“宇宙审查”的存在，可见的“裸奇点”无法在宇宙中构成。

但是，量子引力为何要自我审查呢？

如今，新的理论计算也许能解释，裸奇点为何不会存在——至少在某个模子宇宙中不存在。那些计算显示，另一个有关引力的新料想若是准确，那么，裸奇点就无法在那个模子宇宙中构成，由此，彭罗斯的宇宙审查料想也将得到进一步稳固。有专家暗示，鉴于两种料想彼此佐证，两者皆对的可能性又大了一些。那将意味着，任你望眼欲穿，奇点也只能隐藏在黑洞之中，不外，量子引力理论一个不为人知的重要特征也将浮出水面。

加州理工学院的约翰·普雷斯基尔（John Preskill）说，两个假设之间的“联络令人欣喜。”1991年，他曾与斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）打赌，认为宇宙审查料想会失败。

本年5月，《物理评论快报》报导了那项新研究。依靠哈佛大学卡鲁·瓦法（Cumrun Vafa）的重要概念，剑桥大学的豪尔赫·桑托斯（Jorge Santos）和学生托比·克里斯福德（Toby Crisford）颠末模仿，出人意表地将宇宙审查料想与2006年的弱引力料想联络到了一路。弱引力料想假设，在任何独立运转的宇宙中，引力必需永久是最弱的力，正如我们的宇宙中一样。（四大根本力中，引力是最弱的一种，比其他三种都弱得多。）桑托斯和克里斯福德在一个四维宇宙中模仿出了裸奇点的构成，该宇宙的时空几何构造与我们的宇宙差别。他们发现，在阿谁宇宙中，只要另有一种比引力更强的力感化于粒子，奇点就会被黑洞所覆盖。换言之，时空构造中也许本来能构成一个可见的奇点，但“引力为最弱力”的前提阻遏了如许一个裸奇点的产生。

1978年，罗杰·彭罗斯在加州大学伯克利分校。

目前，桑托斯和克里斯福德正在运行模仿尝试，以查验早先的计算成果，他们想晓得，在引力成为该模子宇宙中最弱的力时，宇宙审查料想能否成立。若能与更负盛名的宇宙审查料想联手，弱引力料想的前途将非常光亮。若是弱引力料想是对的，它将提醒出引力与其他量子力之间的深入联络，进而佐证弦理论，并冲击与之逆来顺受的圈量子引力论。弦理论认为，引力、电磁力等力都是弦的差别振动形式，各类力因而天然地“同一”起来。但在圈量子引力论中，力的同一就没有那么明显了。根据该理论，时空是量子化的微型体积包，与其他粒子和力没有间接联络。“若是弱引力料想是对的，那么圈量子引力必错无疑。”高档研究所（Institute for Advanced Study）的尼玛·阿尔卡尼·哈米德（Nima Arkani-Hamed）传授说。他参与提出了弱引力料想。

“新研究确实提醒了量子引力的一些工具。”加州大学圣巴巴拉分校的理论物理学家加里·霍洛维茨（Gary Horowitz）说。

裸奇点1991年，做为加州理工学院的两名理论物理学家，普雷斯基尔和基普·索恩（Kip Thorne）去剑桥造访霍金。那时的霍金已经花了几十年时间，摸索爱因斯坦方程式中涵盖的可能性。那个方程式定义了时空若何在物量面前发作弯曲，从而产生引力。与彭罗斯以及其他任何人一样，霍金仍未发现裸奇点在宇宙中的构成机造。奇点始末就在黑洞的中心——那个时空之洞异常深邃，以致于没有任何光能够从中逃逸。霍金告诉两位来访者，他相信宇宙审查料想。而做为量子引力和黑洞范畴的专家（索恩是创建LIGO黑洞探测尝试的三位物理学家之一），普雷斯基尔和索恩说，探测裸奇点和量子引力效应也许是可能的。普雷斯基尔回忆起其时的场景，“缄默好久之后，霍金说，‘你们想打赌吗？’”

打赌必需以某个手艺细节为准，在最后含糊其词的破例呈现后，1997年，他们又做了从头商定。不列颠哥伦比亚大学的物理学家马特·乔普图克（Matt Choptuik）用数值模仿的办法研究爱因斯坦的理论。他证明，若是初始前提调配得恰如其分，我们所处的四维宇宙中也能构成裸奇点。但若是初始数据偏离一丝一毫，裸奇点就无法构成——黑洞会在它的四周构成，对周遭停止审查。那一破例并没有推翻彭罗斯的宇宙审查料想，因为它其实不意味着裸奇点实能构成。

虽然如斯，霍金仍是认输了，并按规定付出了赌金，还供给了“让赢家遮蔽赤身的衣服。”他确实为普雷斯基尔供给了衣服，但衣服上的图案是一名几乎一丝不挂的女人。穿戴如许的衣服，普雷斯基尔在加州理工学院，面临1000人颁发讲话，那让他为难至极。衣服上本应“绣上认输的话语，”但霍金的句子更像是一种搬弄：“大天然痛恨裸奇点。”

他们又在网上发布了新一轮打赌内容，并写明，只要针对宇宙审查料想的非特殊反例才气做数。那一次，他们达成一致：“衣服要绣上适宜的、实心认输的语句。”

20年后的今天，打赌成果仍然未决，但几次都险些分出胜负。2010年，物理学家弗兰斯·比瑞托利乌斯（Frans Pretorius）和路易斯·莱纳（Luis Lehner）在五个或以上维度的设想宇宙中，发现了裸奇点的产活力造。在本年5月颁发的论文中，桑托斯和克里斯福德称，在一个四维时空的典范宇宙（就如我们所处的宇宙）中，裸奇点是能够存在的，但该宇宙的几何构造与我们的宇宙完全差别。那个最新的裸奇点“介于90年代的‘手艺性’反例和实正的反例之间。”霍洛维茨说。普雷斯基尔也认为，打赌并未因而分出胜负。然而，那一发现确实改动了现状。

2014年，人们垂垂有了新发现，其时，霍洛维茨、桑托斯和本森·韦伊（Benson Way）发现，在一个名为“反德西特空间”、时空几何构造类似锡罐的模仿四维宇宙中，裸奇点是能够存在的。那个宇宙有一个鸿沟——即锡罐的罐身，因而，它能够用来便利地验证各类关于量子引力的料想：关于锡罐内部弯曲的时空，物理学家可将其当做锡罐外表（外表没有引力）投射出来的全息投影。而我们的宇宙更类似于德西特几何构造，其独一的鸿沟就是无限的将来，立即间的尽头。永久的无限其实不能充任一个很好的外表，难以投射出一个新鲜宇宙的全息投影。

固然存在差别，但反德西特宇宙和德西特宇宙的内部都遵照爱因斯坦的传统引力理论——当然，奇点应排除在外。一些专家称，宇宙审查料想若在此中一种宇宙中成立，就可能在两种宇宙中同时成立。

霍洛维茨、桑托斯和韦伊研究过如许一个问题：在反德西特宇宙中，当电场和引力场同时存在时，成果会如何？他们的计算显示，增加锡罐宇宙外表的电场力，时空就会围绕内部一个响应的点弯曲，弯曲幅度越来越大，最末构成裸奇点。在比来的论文中，桑托斯和克里斯福德操纵数值模仿，证明了早先的计算。

但为什么在五维和改动了几何构造的四维宇宙中，裸奇点就能存在，而在我们如许的四维宇宙中，它就不成能存在？“怎么会如许！”桑托斯说，“那太奇异了，值得好好研究一下，此中必定有什么名堂。”

弱引力来救场2015年，哈佛大学弦理论学家和量子引力理论学家卡鲁·瓦法路过霍洛维茨的办公室，后者向他提及了四维反德西特空间中存在裸奇点的证据。弦理论设想可能存在10的500次方个差别的宇宙，不断以来，瓦法都试图排除此中的大部门可能性。他的做法是找出此中的“池沼地”：逻辑自洽水平太弱而无法存在的宇宙。通过理解陆地和池沼的散布规律，他希望绘造出量子引力的整体图谱。

2006年，瓦法连同阿尔卡尼-哈米德（Arkani-Hamed）、卢博斯·莫特（Luboš Motl）和阿尔贝托·尼科利斯（Alberto Nicolis），提出了弱引力料想的“池沼地测试”。他们发现，只要当至少有一种力对粒子的影响超越引力对粒子的影响时，宇宙才能够运转。而其它的力如果太弱，违犯因果关系等诸多问题就会闪现。“一旦违背了‘引力为最弱力’的原则，各类问题马上就会呈现。”阿尔卡尼-哈米德说。在量子引力的广袤大地上，弱引力那个前提使大片区域沦为池沼。

剑桥大学的桑托斯（左）和克里斯福德。他们发现了两种引力料想之间出人意表的联络。

弱引力和宇宙审查似乎描述的是差别的工具，但2015年的那天，瓦法在与霍洛维茨聊天时意识到，两者可能是彼此联系关系的。霍洛维茨解释了桑托斯和克里斯福德的模仿裸奇点：当研究人员加强锡罐宇宙鸿沟的电场强度时，他们默认，锡罐内部是一个典范宇宙——完全光滑，没有粒子以量子力学的形式时而呈现、时而消逝。但瓦法推理说，若存在如许的粒子，若是根据弱引力料想，它们与电场的耦合就会强于跟引力场的耦合，那么，一旦加强反德西特宇宙鸿沟的电场，内部的响应区域就会产生足够多的粒子，使该区域呈现引力坍缩，酿成黑洞，从而阻遏了裸奇点的产生。

尔后，桑托斯和克里斯福德的计算印证了瓦法的曲觉：他们运行的模仿尝试证明，在引力酿成最弱力的那一刻，裸奇点就被黑洞包抄了。“我们不晓得切当的原因，但事实似乎就是如斯。”瓦法说，“两种料想是相辅相成的。”

量子引力还需必然时日，那项新研究和两个料想的影响才会完全闪现。根据宇宙审查料想，黑洞中心适用量子引力，宇宙中其余一切则适用典范引力，那就使两者之间产生了高耸的脱节。而弱引力料想似乎弥合了那种脱节，将量子引力与主宰宇宙粒子的其他量子力联络了起来，而且，可能更偏向于“弦”而不是“圈”理论。普雷斯基尔说，“若是要列出一系列论据或原因，解释你为何相信‘力的同一’，你就该把那条写上去。”

不外，做为圈量子引力论的提出者之一，圆周理论物理研究所（Perimeter Institute）的李·斯莫林（Lee Smolin）持反对定见。他指出，若是弱引力料想是对的，那或许也离不开圈量子引力论的撑持。他暗示，他的理论也能够实现“力的同一”，若是弱引力料想成立，那么若何操纵圈量子引力论实现“力的同一”，就更需要去勤奋摸索了。

我们的宇宙中似乎并没有裸奇点，因而，无论在如何的宇宙中，只要有量子引力的蛛丝马迹，物理学家城市求之若渴。在量子引力理论的浩瀚世界，他们就像上世纪90年代一样苍茫，没有任何设想中的尝试能够用来验证，事实哪一种理论能够照实地描述我们所处的宇宙。“所以，首要使命是要找到通用属性——那些量子引力理论要成立，就必需具备的通用属性。”桑托斯说，那也是“池沼地”理念的表现。

弱引力或许就是如许一种通用属性——一种让量子引力同样也适用于黑洞外宇宙的需要前提。那些也许是科学家在暗中中试探时，仅有的能够依赖的线索之一。

翻译：雁行

来源：Wired

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