超越黑洞奇点

2019-06-14 17:29:33

我们第一次看到存在于黑洞中心附近的物理学,正在使用“环量子引力” - 一种利用量子力学将引力物理学扩展到爱因斯坦广义相对论之外的理论。

环形量子引力起源于宾夕法尼亚州,随后由世界各地的大量科学家开发,正在开辟现代物理学的新范式。该理论已经成为分析宇宙某些部分的极端宇宙学和天体物理现象的主要候选者,如黑洞,其中广义相对论方程式不再有用。

以前在该领域具有高度影响力的环量子引力研究分析了大爆炸的量子性质,现在宾夕法尼亚州立大学的Abhay Ashtekar和Javier Olmedo以及路易斯安那州立大学的Parampreet Singh的两篇新论文将这些结果扩展到黑洞内部。这些论文在期刊“物理评论快报”和“物理评论”中作为“编辑建议”出现,并在物理学期刊的观点文章中得到了强调。

“我们今天拥有的最佳引力理论是广义相对论,但它具有局限性,”Ashtekar,Evan Pugh物理学教授,Eberly家庭物理学教席,宾夕法尼亚州立大学引力与宇宙研究所所长说。 。“例如,广义相对论预言宇宙中存在重力变为无限且时空简单结束的地方。我们将这些地方称为“奇点”。但即使是爱因斯坦也认为这种广义相对论的局限性是因为它忽略了量子力学。“

在黑洞的中心,重力是如此强烈,根据广义相对论,时空变得非常曲折,最终曲率变得无限。这导致时空具有锯齿状边缘,超过该边缘物理学不再存在 - 奇点。另一个奇点的例子是大爆炸。在大爆炸之前发生的事情在广义相对论中是一个毫无意义的问题,因为时空结束了,之前没有。但是,对通过环量子引力结合量子力学的爱因斯坦方程的修改使研究人员能够将物理学扩展到大爆炸之外并进行新的预测。最近的两篇论文为黑洞奇点做了同样的事情。

“环形量子引力的基础是爱因斯坦的发现,即时空几何不仅仅是宇宙事件发生的阶段,而且它本身就是一个可以弯曲的物理实体,”Ashtekar说。“作为一个物理实体,时空几何由一些基本单位组成,就像物质由原子组成一样。这些几何单元 - 称为“量子激发” - 比我们现在的技术检测到的数量级小,但我们有精确的量子方程来预测它们的行为,并且寻找它们的效果的最佳位置之一是中心一个黑洞。“

根据广义相对论,在黑洞的中心,重力变得无限,所以进入的所有东西,包括物理计算所需的信息,都会丢失。这导致了理论物理学家40多年来一直在努力解决的着名“信息悖论”。然而,环量子引力的量子修正允许排斥力甚至可以压倒经典引力的最强拉力,因此物理学可以继续存在。这开辟了一条途径,详细显示研究人员正在追求的黑洞中心没有信息丢失。

有趣的是,尽管环状量子引力在广义相对论破裂的地方继续发挥作用 - 黑洞奇点,宇宙大爆炸 - 它的预测与广义相对论的预测非常精确地在极端情况下远离奇点。

路易斯安那州立大学物理学副教授辛格说:“实现这两者非常重要。” “事实上,许多调查人员在过去十年中探索过黑洞奇点的量子性质,但要么奇点占优势,要么解决它的机制释放出不自然的影响。我们的新工作没有任何这些限制。“