《环球科学》杂志系《科学美国人》杂志中文版，以上为2009年3月封面

每一个黑洞的中心都有一个奇点

　　每一个黑洞的中心都有一个奇点：在那里，密度无穷大、引力无穷大，所有已知的物理规律统统崩溃，科学完全不起作用。

　　物理学家一直认为——或者说希望奇点永远被囚禁在黑洞内部，这样就不会对外面的世界产生不可预测的影响。然而，他们或许都错了：大质量恒星的引力坍缩或许最终不会形成黑洞，而是产生一个直接暴露在外面的裸奇点。

　　撰文 潘凯·S·乔希(Pankaj S. Joshi)

　　翻译 虞骏

　　现代科学给这个世界带来了许多奇思异想，最古怪的一条，无疑是大质量恒星在“生命”演化到尽头时所要面对的终极命运：一颗大质量恒星在持续“燃烧”数百万年后耗尽燃料，无法继续与自身引力相抗衡，不可避免地踏上毁灭性的坍缩之路。像太阳这样的中等质量恒星，坍缩到一定程度便会稳定下来，成为体积更小的白矮星；但如果一颗恒星的质量足够大，它的引力就会压倒一切企图阻止坍缩的力量——这颗直径数百万千米的恒星会一直坍缩，最终比字母“i”上那个小点还要小。

　　大多数物理学家和天文学家认为，这样的坍缩最终会形成黑洞—— 一种引力超强的天体，没有任何东西能从它的周边区域中逃脱。一个黑洞由两部分组成：核心处是一个奇点(singularity)，那颗恒星上的所有物质都被压缩在这个无穷小的点中；围绕在奇点周围的则是一个不可能从中逃脱的空间区域，它的边界被称为“事件视界”(event horizon)。任何东西一旦落入事件视界，就失去了逃出生天的所有希望，它们发出的任何光线都被囚禁在视界之中，因此外界观测者永远不可能再看到它们。这些东西最终也都会被挤入奇点。

　　但事实果真如此吗？已知的物理规律可以肯定，这种坍缩会形成奇点，但事件视界是否随之形成，至今仍没有明确答案。大多数物理学家默认“事件视界必然产生”的假设，仅仅是因为视界为科学提供了一块极具诱惑力的“遮羞布”。物理学家还没弄明白，奇点处到底发生了什么：物质受到挤压，然后变成什么？事件视界把奇点隐藏起来，也掩饰了我们知识结构中的不足。奇点处或许上演着各种科学上未知的现象，但它们对外部世界不会产生任何影响。这样，天文学家在绘制行星及恒星运行轨道的时候，才可以心安理得地运用物理学标准定律，而不用去考虑奇点可能带来的不确定性——不论黑洞中发生了什么，都只能被囚禁于黑洞内部。

　　越来越多的研究者对这个主流假设提出了质疑。研究人员已经发现了多种恒星坍缩模型，事件视界在这些模型中根本不会形成，因此奇点会持久暴露于我们的视线之中。物理学家把这样的奇点称为裸奇点(naked singularity)。深入黑洞内部去探查一个奇点，是一条名副其实的“不归路”，然而从理论上讲，你可以随心所欲地靠近一个奇点，详加探查后再平安返回，讲述你的冒险经历。

　　如果裸奇点确实存在，那么天体物理学和基础物理学的各个方面，都会遭到巨大的冲击。没有了视界的遮蔽，发生在奇点附近的神秘现象就可能影响外部世界。裸奇点或许可以解释天文学家已经观测到的不明高能现象，或许还能提供一个天然实验室，让物理学家探索时空的最精细结构。

　　宇宙监察员

　　科学家曾经认为，事件视界会是黑洞比较容易理解的那一部分。奇点显然是不可思议的——引力在那里变得无穷大，已知物理规律在那里全部失效。根据目前物理学家对于引力的理解(即爱因斯坦的广义相对论)，一颗大质量恒星在坍缩过程中必然产生奇点。广义相对论并没有考虑对微观物体十分重要的量子效应，这些效应大概会在关键时刻发挥作用，阻止引力强度真正变成无穷大。不过物理学家仍在排除万难，努力发展解释奇点所需的量子引力理论。

　　相比之下，发生在奇点周围时空区域中的现象似乎应当更容易理解。恒星坍缩形成的事件视界直径可达好几千米，远远大于量子效应发挥作用的典型尺度。假设自然界中不存在新的作用力来插手此事，事件视界就应该完全由一种理论来支配——这就是基本原理早已被了解透彻，并且经受住了90多年观测检验的广义相对论。

　　尽管如此，把广义相对论运用于恒星坍缩仍是一项令人望而却步的艰巨任务。爱因斯坦引力方程之复杂是出了名的，为了求出这些方程的解，物理学家必须做一些简化假设。20世纪30年代末，美国物理学家J·罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer)和哈特兰·S·斯奈德(Hartland S. Snyder)进行了初步尝试，印度物理学家B·达特(B. Datt)也对此进行了独立研究。为了简化方程，他们只考虑形状为完美球状的恒星，假设这些恒星由密度均匀的气体构成，并且忽略气体压强。他们发现在这种理想化的恒星坍缩过程中，恒星表面的引力逐渐增强，最终大到足以囚禁所有的光和物质，从而形成一个事件视界。这颗恒星变得无法再被外界观测者看到，不久后便直接坍缩成一个奇点。

　　真正的恒星当然要复杂得多：它们的密度并不均匀，内部气体会产生压强，形状也可能多种多样。任何一颗质量足够大的恒星坍缩后都会成为一个黑洞吗？1969年，英国牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提出，答案应该是肯定的。他猜测，在一颗恒星的坍缩过程中如果产生一个奇点，就必然会有一个事件视界随之形成。大自然禁止我们看见任何一个奇点，因为总是会有一个视界将它遮蔽起来。彭罗斯的猜测被学术界称为“宇宙监察假设”(cosmic censorship hypothesis)。这只是一个猜测，却成为整个现代黑洞研究大厦的基石。物理学家希望，我们能够像证明奇点不可避免那样，用同样严格的数学方法来证明宇宙监察假设。

　　裸露的奇点

　　可惜，宇宙监察假设至今未被证明。由于找不到宇宙监察假设能够应用于所有情况的直接证据，我们不得不踏上一条更漫长的探索之路——将初步分析中没有考虑到的特征逐一添加到理论模型之中，对不同的恒星引力坍缩过程进行细致的案例分析。1973年，德国物理学家汉斯·于尔根·塞弗特(Hans Jürgen Seifert)及其同事分析了恒星密度不均匀的情况。有趣的是，他们发现不同的物质层在坍缩下落过程中相互交错，会产生出没有视界遮掩的、持续时间很短的奇点。不过奇点也分很多种，这些奇点算是相当“良性”的。尽管在某个位置密度变得无穷大，引力强度却仍然有限，因此这个奇点不会将物质和下落的物体挤压成一个体积无穷小的点。广义相对论不会在这里崩溃，物质会穿过这个位置继续下落，而不会在这里抵达终点。

　　1979年，美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的道格拉斯·M·厄德利(Douglas M. Eardley)和伊利诺伊大学香槟分校的拉里·斯马(Larry Smarr)更进了一步，对一颗恒星的坍缩过程进行了数值模拟，这颗恒星的密度分布与真实恒星无异——中心处密度最高，越靠近表面密度越低。1984年，瑞士苏黎世联邦理工学院的季米特里奥斯·赫里斯托祖卢(Demetrios Christodoulou)完成了这种情况下恒星坍缩的严格数学推导。这两项研究都发现，这颗恒星的体积会收缩到零，最终形成一个裸奇点。不过这个模型仍然没有考虑气体压强，当时在英国约克大学工作的理查德·P·A·C·纽曼(Richard P.A.C. Newman)也证明，那个奇点的引力强度仍然不强。

　　受到这些发现的启发，包括我在内的许多研究人员试图严格归纳出一套定理，证明裸奇点的引力强度总是很弱。可惜，我们又没有成功。失败的理由很快就浮出水面：裸奇点的引力强度并不总是很弱。我们发现，一些不均匀坍缩过程可以产生真正的强引力奇点，能够将物质挤压到无形，并且外界观测者仍然可以看到这些奇点。1993年，我和当时就职于印度亚格拉大学(Agra University)的因德雷斯·德维韦迪(Indresh Dwivedi)合作，发展出一套不考虑气体压强的恒星坍缩通用分析方法，最终证实了上述观点。

　　20世纪90年代初，物理学家开始考虑气体压强的作用。以色列理工学院(Technion-Israel Institute of Technology)的阿莫斯·奥里(Amos Ori)和耶路撒冷希伯来大学(Hebrew University of Jerusalem)的茨维·皮兰(Tsvi Piran)进行了数值模拟，我的研究团队则从数学上严格求出了相关方程的解，两项研究的结论都是：密度-压强关系遵从真实物理定律的恒星会坍缩形成裸奇点。大约同一时期，意大利米兰理工大学(Polytechnic University of Milan)的朱利奥·马利(Giulio Magli)和日本大阪市立大学(Osaka City University)的中尾贤一(Kenichi Nakao)各自带领研究小组，考虑了一颗坍缩恒星内部由粒子旋转产生的某种压强。他们同样证明，在许多情形下，坍缩最终会形成一个裸奇点。

　　这些研究分析的恒星都是完美球体。这个限制条件看似十分严格，实际上却并非如此，因为自然界中大多数恒星的形状都非常接近完美球体。要说形状因素有影响的话，球状恒星其实比其他形状的恒星更有利于事件视界的形成，因此，如果宇宙监察假说对球状恒星都无法成立，它的前途似乎就大大不妙了。尽管如此，物理学家仍然在不懈地探索非球状恒星的坍缩。1991年，美国伊利斯伊大学的斯图尔特·L·夏皮罗(Stuart L. Shapiro)和康奈尔大学的绍尔·A·托伊科尔斯基(Saul A. Teukolsky)进行了数值模拟，表明椭圆形的恒星可以坍缩成一个奇点。几年后，我和波兰科学院的安杰伊·克鲁拉克(Andrzej Królak)合作研究了非球对称坍缩，结果同样产生了裸奇点。必须指出的是，这两项研究都没有考虑气体压强。

　　一些持怀疑态度的人已经提出质疑：这些裸奇点会不会是人为设计的结果。如果对这些模型中恒星的初始性质稍加改动，坍缩过程是不是就会完全不同，最终形成一个事件视界遮蔽那个奇点？果真如此的话，裸奇点可能就是计算过程中采用近似方法而造成的人为假象，并不会真正在自然界中形成。一些涉及物质异常形态的模型确实对初始条件非常敏感。不过到目前为止，我们的研究结果证明，大多数裸奇点在初始条件细微改变之后仍然稳定存在。因此，这些坍缩模型在物理学上似乎站得住脚——也就是说，裸奇点并不是人为设计的结果。