颠覆霍金猜想！数学家证明极端黑洞可能存在

明敏 发自 凹非寺

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霍金50年前提出的猜想被颠覆了！

数学家们最新证明，极端黑洞可能存在。

这与霍金等人在1973年提出的黑洞热力学第三定律相悖。

极端黑洞是一种非常特殊的情况，指黑洞表面或事件视界的引力为零，它的表面不吸引任何东西，但是如果把粒子推出到黑洞中心，还是无法逃逸。

而且由于黑洞的温度与表面重力成正比，表面重力不存在即意味着黑洞没有温度，无法发射热辐射。

这又与霍金辐射理论相违背，该理论提出黑洞不是完全“黑暗”的，而是能以特定方式缓慢向外辐射能量，从而逐渐失去质量并最终可能消失。

但是来自MIT的克里斯托夫·凯勒（Christoph Kehle）和斯坦福大学的瑞安·昂格尔（Ryan Unger）用数学方法证明，这种情况可能存在。

而且它们还证明，极端黑洞存在并不会导致裸奇点存在。

诺奖得主彭罗斯之前提出，自然界不允许裸奇点存在，如果它存在将破坏宇宙因果性，奇点附近的空间区域可能会允许违反因果关系的行为，导致时间和空间在局部变得不再有序。

哥伦比亚大学数学家艾琳娜·乔治（Elena Giorgi）评价：

这是数学回馈物理学一个很棒的例子。

极端黑洞是什么？

自然界中绝大多数黑洞都是旋转的。

当带电荷的物质掉入黑洞后，因为角动量守恒，黑洞自旋转速度会增加，同时黑洞本身也会带上电荷。

理论上，随着黑洞吸入越来越多物质，它的电荷量和转速将会无限大，这样就会出现极端黑洞。

对于极端黑洞，只要再加上任何一点电荷，它的视界就会消失，并留下一个裸奇点。

而且它的表面不再吸引任何东西。

1973年，霍金、约翰·巴丁、布兰登·卡特提出，极端黑洞不可能形成。

这条定律指出黑洞的表面引力不可能在有限时间内降至0，三位科学家认为任何允许黑洞的电荷或自旋达到极限的过程都有可能导致黑洞视界完全消失。

学界普遍认为没有视界的黑洞（即裸奇点）是不可能存在的。

此外，由于黑洞的温度和表面重力呈正比，如果没有表面重力黑洞也不会有温度，这样黑洞就无法发射热辐射。但是霍金提出，向外发出辐射是黑洞的必备属性。

1986年，物理学家沃纳·伊斯雷尔（Werner Israel）曾试图模拟用一个普通黑洞构建极端黑洞，并试着让它自旋更快、带上更多电荷，但最终结论表明，这样做并不能让黑洞的表面重力在有限时间内降低到0。

无心插柳找到证明方法

凯勒和昂格尔本身并没有在研究极端黑洞。

他们是在琢磨带电黑洞如何形成时，意外发现可以构建一个具有极高电荷量的黑洞，这是极端黑洞的一个重要标志。

他们从一个不旋转、没有电荷的黑洞开始，模拟它被放置到标量场中可能发生的情况。

他们利用磁场脉冲冲击黑洞，给它增加电荷。这些脉冲为黑洞提供了电磁能量，也增加了黑洞的质量。

通过发射漫射的低频脉冲，就能让黑洞质量（M）的增速大于电荷（q）的增速。

按照分类，当|q|=M时，代表极端黑洞形成；|q|M时为非极端黑洞。

如果质量增速超过电荷增速，意味着黑洞能从亚极端状态向极端状态转变。

论文不仅提出了一种新的特征粘连方法，而且展示了如何构造黑洞内部的结构、分析了黑洞形成和演化的过程，包括从规则初始数据出发的引力坍缩以及黑洞外部的几何结构等。

不过需要注意的是，尽管利用数学方法证明了极端黑洞理论存在，但是也不能说明极端黑洞一定存在。

理论中的例子具有最大电荷量，但是目前人类还没有观测到明显带有电荷的黑洞。找到一个快速自旋的黑洞更有可能，所以凯勒和昂格尔还想构建一个模型，让黑洞能够在自旋速度上达到极限。

但是构建这样一个模型在数学上的挑战更大。目前他们才刚刚开始着手研究。

一直以来，凯勒和昂格尔都在尝试利用数学方法探索黑洞的秘密。

2023年，凯勒和老师艾琳娜等还通过一项1000页的研究证明，数学意义上，缓慢自旋的黑洞是稳定的。这对于验证广义相对论很重要，因为如果在数学意义上不稳定，那么可能意味着基础理论存在问题。

△左为凯勒，右为昂格尔

而今年最新发表的研究，不仅颠覆了霍金提出的猜想，也为广义相对论、量子力学、弦理论等前沿领域研究提供新见解。

参考链接：

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

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