顛覆霍金猜想！數學家證明極端黑洞可能存在

明敏 發自 凹非寺

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霍金50年前提出的猜想被顛覆了！

數學家們最新證明，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。

而且由於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，從而逐漸失去質量並最終可能消失。

但是來自MIT的基斯托夫·基拿（Christoph Kehle）和史丹福大學的瑞安·昂格爾（Ryan Unger）用數學方法證明，這種情況可能存在。

而且它們還證明，極端黑洞存在並不會導致裸奇點存在。

諾獎得主彭路斯之前提出，自然界不允許裸奇點存在，如果它存在將破壞宇宙因果性，奇點附近的空間區域可能會允許違反因果關係的行為，導致時間和空間在局部變得不再有序。

哥倫比亞大學數學家艾琳娜·佐治（Elena Giorgi）評價：

這是數學回饋物理學一個很棒的例子。

極端黑洞是什麼？

自然界中絕大多數黑洞都是旋轉的。

當帶電荷的物質掉入黑洞後，因為角動量守恒，黑洞自旋轉速度會增加，同時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，它的電荷量和轉速將會無限大，這樣就會出現極端黑洞。

對於極端黑洞，只要再加上任何一點電荷，它的視界就會消失，並留下一個裸奇點。

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·卡達提出，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間內降至0，三位科學家認為任何允許黑洞的電荷或自旋達到極限的過程都有可能導致黑洞視界完全消失。

學界普遍認為沒有視界的黑洞（即裸奇點）是不可能存在的。

此外，由於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，這樣黑洞就無法發射熱輻射。但是霍金提出，向外發出輻射是黑洞的必備屬性。

1986年，物理學家沃納·伊斯雷爾（Werner Israel）曾試圖模擬用一個普通黑洞構建極端黑洞，並試著讓它自旋更快、帶上更多電荷，但最終結論表明，這樣做並不能讓黑洞的表面重力在有限時間內降低到0。

無心插柳找到證明方法

基拿和昂格爾本身並沒有在研究極端黑洞。

他們是在琢磨帶電黑洞如何形成時，意外發現可以構建一個具有極高電荷量的黑洞，這是極端黑洞的一個重要標誌。

他們從一個不旋轉、沒有電荷的黑洞開始，模擬它被放置到標量場中可能發生的情況。

他們利用磁場脈衝衝擊黑洞，給它增加電荷。這些脈衝為黑洞提供了電磁能量，也增加了黑洞的質量。

通過發射漫射的低頻脈衝，就能讓黑洞質量（M）的增速大於電荷（q）的增速。

按照分類，當|q|=M時，代表極端黑洞形成；|q|M時為非極端黑洞。

如果質量增速超過電荷增速，意味著黑洞能從亞極端狀態向極端狀態轉變。

論文不僅提出了一種新的特徵粘連方法，而且展示了如何構造黑洞內部的結構、分析了黑洞形成和演化的過程，包括從規則初始數據出發的引力坍縮以及黑洞外部的幾何結構等。

不過需要注意的是，儘管利用數學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。找到一個快速自旋的黑洞更有可能，所以基拿和昂格爾還想構建一個模型，讓黑洞能夠在自旋速度上達到極限。

但是構建這樣一個模型在數學上的挑戰更大。目前他們才剛剛開始著手研究。

一直以來，基拿和昂格爾都在嘗試利用數學方法探索黑洞的秘密。

2023年，基拿和老師艾琳娜等還通過一項1000頁的研究證明，數學意義上，緩慢自旋的黑洞是穩定的。這對於驗證廣義相對論很重要，因為如果在數學意義上不穩定，那麼可能意味著基礎理論存在問題。

而今年最新發表的研究，不僅顛覆了霍金提出的猜想，也為廣義相對論、量子力學、弦理論等前沿領域研究提供新見解。

參考鏈接：

https://www.quantamagazine.org/mathematicians-prove-hawking-wrong-about-extremal-black-holes-20240821/