裸露的奇異點

裸露的奇異點http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=1347&CL=4
我們總以為吸納所有物質的黑洞核心——奇異點永遠神秘地藏匿在黑洞裡，其實它也可能赤裸裸地呈現在我們眼前？
撰文╱約希（Pankaj S. Joshi）翻譯／李沃龍
重點提要
■ 傳統看法認為大質量恆星最終會坍塌成黑洞，但有些理論模型卻預測那會形成所謂的「裸奇點」，這是天文物理上懸而未決的重要問題。■ 裸奇點的發現會為物理學上的統一理論提供直接的觀測，對該理論的影響甚鉅。
現代科學已把許多奇怪的概念昭告天下了，但其中最詭異的，莫過於大質量恆星到達其生命盡頭時所面臨的命運。在燃燒了億萬年後，恆星的燃料耗盡，無法再支撐自身的重量，於是開始災難性的崩塌。像太陽這類大小適中的恆星會在崩塌成較小體積時，再度穩定下來；但若是質量更大的恆星，它的重力將壓過所有阻止坍塌的力量，使得恆星從原本數百萬公里的大小，塌縮成比英文字母“ i ”上的一點還微小。
多數物理學家與天文學家認為這個結果就是黑洞──一種具有強大重力而沒有任何東西能夠逃離其近旁的天體。黑洞的核心是個奇異點（singularity），恆星上頭所有的物質都縮進了這個體積無限小的點，環繞在奇異點周邊的就是物質無從逃脫的空間，其邊界稱為「事件視界」。任何物體一旦進入事件視界之內，就永遠無法離開這個區域，就連物體所發出的光也會陷落其中，因此外界的觀測者再也看不到它。墜入的物體最終將撞毀在奇異點上。
然而這個描述是否真確？從已知的物理定律，我們清楚知道奇異點會形成，但不怎麼確定事件視界的存在。大部份物理學家採行的假設是視界必須存在，只因為以視界做為科學的屏障是非常誘人的概念。物理學家尚未完全釐清奇異點上究竟怎麼了：物質是被壓垮了，但變成了什麼呢？事件視界將奇異點藏匿起來，也阻隔了我們對它的探索；奇異點上可能發生各種未知的事情，但對外界不產生任何效應。天文學家在描繪行星與恆星軌道時，完全不必考慮奇異點的影響，因為不論在黑洞裡發生什麼事情，都只會留在黑洞裡。
但是，越來越多的研究質疑著這個一向被視為理所當然的假設。在許多關於恆星坍塌的學說中，事件視界並未形成，因此奇異點其實就暴露在我們眼前，物理學家稱它為「裸奇點」，物質與輻射可墜入也可彈出這個區域，也就是說，以往我們以為造訪黑洞裡的奇異點是趟有去無回的旅程，但其實你卻可以在非常接近裸奇點後全身而退，並敘述你此行的見聞。
假如欠缺事件視界的裸奇點真的存在，在奇異點附近發生的神秘事情將會衝擊外在的世界。裸奇點可以用來解釋天文學家已觀測到卻無法解釋的高能現象，並提供了一個探索時空最精細結構的實驗室。
不准偷看奇異點！
奇異點顯然是個神秘的東西，它們是重力強度無限大的地方，已知的物理定律在此完全失效。根據物理學家目前對重力的理解，奇異點潛藏在愛因斯坦的廣義相對論裡，無可避免地會在巨大恆星崩塌的過程中產生。廣義相對論無法解釋主導著微觀世界的量子效應，而量子效應必將介入恆星坍塌的過程，以防止重力強度真的變成無限大，但物理學家對發展出可用來解釋奇異點的量子重力理論，仍一籌莫展。
相較之下，要解釋在奇異點周圍發生的事情，似乎較為直接而容易。恆星的事件視界大小可達數公里，遠大於量子效應的尺度，假設沒有其他新的作用力介入，應可單純地用廣義相對論來解釋。廣義相對論所根據的是我們已經非常了解的原理，而且已通過了90年的觀測驗證。
雖然如此，要將理論套用到恆星坍塌的現象，仍是件艱鉅的工作。愛因斯坦的重力方程式是出了名的複雜，物理學家必須做些簡化的假設才能順利解出。美國物理學家歐本海默（J. Robert Oppenheimer）與史奈德（Hartland S. Snyder）在1930年代末期首開先例，為了簡化方程式，他們只考慮完美的球狀恆星，並假設它們是由密度均勻的氣體所構成，且氣體壓力忽略不計。他們發現當這類理想恆星坍塌時，表面的重力會持續增加，最終強大到足以圈捕住所有的光與物質，形成事件視界，恆星不再能被外界觀測者看到，之後更迅速塌縮成奇異點。另外，印度物理學家達特（B. Datt）也獨立做出同樣的結果。
當然，真實的恆星複雜多了。它們的密度並不均勻，而且氣體會施加壓力，同時有各種形狀。是否每個質量夠大的恆星都會變成黑洞呢？1969年，英國牛津大學的物理學家彭若斯（Roger Penrose）認為答案是肯定的。他推測在恆星坍塌時，需形成事件視界才能形成奇異點，由於總是被視界遮住，大自然並不允許我們窺看奇異點。彭若斯的猜想被稱為宇宙審查假說，雖然只是個猜測，卻鞏固了現代黑洞研究。物理學家希望能夠以嚴謹的數學來證明這個假說，就像當初證明奇異點是不可避免的那樣。【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】
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