????重點(diǎn)提要

????-傳統(tǒng)看法認(rèn)為大質(zhì)量恒星最終會(huì)坍塌成黑洞，但有些理論模型卻預(yù)測(cè)那會(huì)形成所謂的“裸奇點(diǎn)”，這是天文物理上懸而未決的重要問題。

????- 裸奇點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)會(huì)為物理學(xué)上的統(tǒng)一理論提供直接的觀測(cè)，對(duì)該理論的影響甚巨。

????現(xiàn)代科學(xué)已把許多奇怪的概念昭告天下了，但其中最詭異的，莫過于大質(zhì)量恒星到達(dá)其生命盡頭時(shí)所面臨的命運(yùn)。在燃燒了億萬年后，恒星的燃料耗盡，無法再支撐自身的重量，于是開始災(zāi)難性的崩塌。像太陽這類大小適中的恒星會(huì)在崩塌成較小體積時(shí)，再度穩(wěn)定下來；但若是質(zhì)量更大的恒星，它的重力將壓過所有阻止坍塌的力量，使得恒星從原本數(shù)百萬公里的大小，塌縮成比英文字母“i”上的一點(diǎn)還微小。

????多數(shù)物理學(xué)家與天文學(xué)家認(rèn)為這個(gè)結(jié)果就是黑洞──一種具有強(qiáng)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(gè)奇異點(diǎn)(singularity)，恒星上頭所有的物質(zhì)都縮進(jìn)了這個(gè)體積無限小的點(diǎn)，環(huán)繞在奇異點(diǎn)周邊的就是物質(zhì)無從逃脫的空間，其邊界稱為“事件視界”。任何物體一旦進(jìn)入事件視界之內(nèi)，就永遠(yuǎn)無法離開這個(gè)區(qū)域，就連物體所發(fā)出的光也會(huì)陷落其中，因此外界的觀測(cè)者再也看不到它。墜入的物體最終將撞毀在奇異點(diǎn)上。

????然而這個(gè)描述是否真確？從已知的物理定律，我們清楚知道奇異點(diǎn)會(huì)形成，但不怎么確定事件視界的存在。大部份物理學(xué)家實(shí)行的假設(shè)是視界必須存在，只因?yàn)橐砸暯缱鰹榭茖W(xué)的屏障是非常誘人的概念。物理學(xué)家尚未完全厘清奇異點(diǎn)上究竟怎么了：物質(zhì)是被壓垮了，但變成了什么呢？事件視界將奇異點(diǎn)藏匿起來，也阻隔了我們對(duì)它的探索；奇異點(diǎn)上可能發(fā)生各種未知的事情，但對(duì)外界不產(chǎn)生任何效應(yīng)。天文學(xué)家在描繪行星與恒星軌道時(shí)，完全不必考慮奇異點(diǎn)的影響，因?yàn)椴徽撛诤诙蠢锇l(fā)生什么事情，都只會(huì)留在黑洞里。

????但是，越來越多的研究質(zhì)疑著這個(gè)一向被視為理所當(dāng)然的假設(shè)。在許多關(guān)于恒星坍塌的學(xué)說中，事件視界并未形成，因此奇異點(diǎn)其實(shí)就暴露在我們眼前，物理學(xué)家稱它為“裸奇點(diǎn)”，物質(zhì)與輻射可墜入也可彈出這個(gè)區(qū)域，也就是說，以往我們以為造訪黑洞里的奇異點(diǎn)是趟有去無回的旅程，但其實(shí)你卻可以在非常接近裸奇點(diǎn)后全身而退，并敘述你此行的見聞。

????假如欠缺事件視界的裸奇點(diǎn)真的存在，在奇異點(diǎn)附近發(fā)生的神秘事情將會(huì)沖擊外在的世界。裸奇點(diǎn)可以用來解釋天文學(xué)家已觀測(cè)到卻無法解釋的高能現(xiàn)象，并提供了一個(gè)探索時(shí)空最精細(xì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室。

????不準(zhǔn)偷看奇異點(diǎn)！

????奇異點(diǎn)顯然是個(gè)神秘的東西，它們是重力強(qiáng)度無限大的地方，已知的物理定律在此完全失效。根據(jù)物理學(xué)家目前對(duì)重力的理解，奇異點(diǎn)潛藏在愛因斯坦的廣義相對(duì)論里，無可避免地會(huì)在巨大恒星崩塌的過程中產(chǎn)生。廣義相對(duì)論無法解釋主導(dǎo)著微觀世界的量子效應(yīng)，而量子效應(yīng)必將介入恒星坍塌的過程，以防止重力強(qiáng)度真的變成無限大，但物理學(xué)家對(duì)發(fā)展出可用來解釋奇異點(diǎn)的量子重力理論，仍一籌莫展。

????相較之下，要解釋在奇異點(diǎn)周圍發(fā)生的事情，似乎較為直接而容易。恒星的事件視界大小可達(dá)數(shù)公里，遠(yuǎn)大于量子效應(yīng)的尺度，假設(shè)沒有其它新的作用力介入，應(yīng)可單純地用廣義相對(duì)論來解釋。廣義相對(duì)論所根據(jù)的是我們已經(jīng)非常了解的原理，而且已通過了90年的觀測(cè)驗(yàn)證。

????雖然如此，要將理論套用到恒星坍塌的現(xiàn)象，仍是件艱巨的工作。愛因斯坦的重力方程式是出了名的復(fù)雜，物理學(xué)家必須做些簡(jiǎn)化的假設(shè)才能順利解出。美國物理學(xué)家歐本海默(J.RobertOppenheimer)與史奈德(HartlandS.Snyder)在1930年代末期首開先例，為了簡(jiǎn)化方程式，他們只考慮完美的球狀恒星，并假設(shè)它們是由密度均勻的氣體所構(gòu)成，且氣體壓力忽略不計(jì)。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)這類理想恒星坍塌時(shí)，表面的重力會(huì)持續(xù)增加，最終強(qiáng)大到足以圈捕住所有的光與物質(zhì)，形成事件視界，恒星不再能被外界觀測(cè)者看到，之后更迅速塌縮成奇異點(diǎn)。另外，印度物理學(xué)家達(dá)特(B.Datt)也獨(dú)立做出同樣的結(jié)果。

????當(dāng)然，真實(shí)的恒星復(fù)雜多了。它們的密度并不均勻，而且氣體會(huì)施加壓力，同時(shí)有各種形狀。是否每個(gè)質(zhì)量夠大的恒星都會(huì)變成黑洞呢？1969年，英國牛津大學(xué)的物理學(xué)家彭若斯(RogerPenrose)認(rèn)為答案是肯定的。他推測(cè)在恒星坍塌時(shí)，需形成事件視界才能形成奇異點(diǎn)，由于總是被視界遮住，大自然并不允許我們窺看奇異點(diǎn)。彭若斯的猜想被稱為宇宙審查假說，雖然只是個(gè)猜測(cè)，卻鞏固了現(xiàn)代黑洞研究。物理學(xué)家希望能夠以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)來證明這個(gè)假說，就像當(dāng)初證明奇異點(diǎn)是不可避免的那樣。

????裸奇點(diǎn)的誕生

????然而這樣的期望并沒有實(shí)現(xiàn)。我們沒有提出任何關(guān)于宇宙審查假說的直接證明，反而開始一一分析重力坍塌的各種狀況，借著增加理想化模型所欠缺的性質(zhì)，逐漸讓我們的理論模型更準(zhǔn)確。1973年，德國物理學(xué)家塞費(fèi)德(HansJu?rgenSeifert)與同事考慮了密度不均勻的恒星。非常有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)密度不同的各層物質(zhì)在坍塌時(shí)，彼此會(huì)有交互作用而短暫地產(chǎn)生不被視界遮蔽的奇異點(diǎn)。在眾多不同的奇異點(diǎn)類型中，這種奇異點(diǎn)算是相當(dāng)溫和的，雖然密度會(huì)在某處變得無限大，重力強(qiáng)度卻不會(huì)，所以奇異點(diǎn)并未將墜入的物體擠壓成一個(gè)無限小的點(diǎn)。因此，廣義相對(duì)論沒有失效，而物質(zhì)也可以行經(jīng)該處，而非步入終點(diǎn)。

????1979年時(shí)，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的爾德黎(Douglas M.Eardley)與伊利諾大學(xué)香檳分校的斯馬爾(LarrySmarr)更進(jìn)一步以數(shù)值計(jì)算，仿真具有真實(shí)密度剖面(中心密度最高并逐漸向表面遞減)的恒星，蘇黎士瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的克利斯托杜洛(DemetriosChristodoulou)則在1984年以紙筆重復(fù)相同的計(jì)算。這兩項(xiàng)研究結(jié)果都一樣，恒星體積收縮成零，并產(chǎn)生裸奇點(diǎn)。但此模型仍忽略了壓力，所以當(dāng)時(shí)在英國約克大學(xué)的紐曼(RichardP.A.C.Newman)再度證實(shí)了這種奇異點(diǎn)的重力并不強(qiáng)勁。

????受到這些發(fā)現(xiàn)的激勵(lì)，包括我在內(nèi)的許多研究人員試圖制定一個(gè)嚴(yán)格的定理：裸奇點(diǎn)的重力一定很微弱。然而我們并沒有成功，原因很快就被厘清了：裸奇點(diǎn)并不都是微弱的。我們發(fā)現(xiàn)了許多不均勻坍塌的學(xué)說，可產(chǎn)生具有強(qiáng)大重力、能真正將物質(zhì)擠壓至無形的奇異點(diǎn)，同時(shí)可被外界看見。當(dāng)時(shí)任職于印度阿格拉大學(xué)的兌偉諦(IndreshDwivedi)與我，于1993年發(fā)展出在不考慮氣體壓力下對(duì)恒星坍塌的一般分析，厘清并確認(rèn)了這些觀點(diǎn)。

????1990年代早期，物理學(xué)家開始考慮氣體壓力的效應(yīng)。以色列技術(shù)學(xué)院的歐瑞(AmosOri)與耶路撒冷希伯來大學(xué)的皮蘭(TsviPiran)進(jìn)行數(shù)值模擬，而我的團(tuán)隊(duì)則精確解出相關(guān)的方程式，證實(shí)了具備真實(shí)密度與壓力關(guān)系的恒星，是能夠塌縮成裸奇點(diǎn)的。約莫同時(shí)，意大利米蘭理工大學(xué)的馬格利(GiulioMagli)與日本大阪市立大學(xué)的中尾健一的兩支團(tuán)隊(duì)，都將塌縮的恒星內(nèi)由粒子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的一種特殊型態(tài)的壓力加入計(jì)算，也顯示了在許多情況下，坍塌都會(huì)產(chǎn)生裸奇點(diǎn)。