走进科学
数学家解决了广义相对论中最深刻的遗留问题
credit：123RF
数学家终于解决了广义相对论中遗留下的最深刻问题之一。去年秋天在网上公开发布的一篇论文中，数学家Mihalis Dafermos和Jonathan Luk证明，关于黑洞内部的强宇宙审查猜想是错误的。
普林斯顿大学数学家Igor Rodnianski表示：“我个人认为这是一篇杰作——因为它，我们对广义相对论的理解有了质的飞跃。”
强宇宙审查猜想是1979年由有极具影响力的物理学家罗杰·彭罗斯提出的。几十年来，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论已经作为研究宇宙对象的最佳理论。然而，20世纪60年代，数学分析表明，当把爱因斯坦方程应用在黑洞时会得到令人不安的多重解。多重解意味着多个不同的时空。理论丧失了确定性和可预测性，实在理解不了的，不妨类比一下算术中除以0时发生的事情。彭罗斯认为，如果他的强宇宙审查猜想是正确的，那么这种确定性的丧失就可以被视为一种数学上的奇技□巧而不是对真实世界的描述。
普林斯顿大学的数学家Dafermos说：“彭罗斯提出了一个猜想，试图从根本上杜绝这种黑洞的不良行为。”
最新的工作打破了彭罗斯的梦想。不过，它通过其它方式实现了他的雄心壮志，表明他对黑洞内的物理学直觉是正确的。大师毕竟是大师，大师的直觉远胜过普通人的缜密推理。
相对论的罪
在经典物理学中，宇宙是可预测的：如果你知道主宰物理系统的规律，并且你知道它的初始状态，那么你应该能够无限地预测它未来的发展。无论你使用牛顿定律来预测台球的未来位置，用麦克斯韦方程来描述电磁场，还是用爱因斯坦的广义相对论来预测时空形状的演变，这种说法都毫无问题。“这是所有经典物理学可追溯到牛顿力学的基本原理，”苏黎世联邦理工学院数学家，爱因斯坦方程研究的领军人物Demetrios Christodoulou说， “你可以从最初的数据中确定未来的走向。”
但是在20世纪60年代，数学家发现了一个物理场景，其中爱因斯坦的场方程——他广义相对论的核心——无法继续描述可预测的宇宙。数学家和物理学家注意到，当他们模拟旋转黑洞内时空的演变时，问题就来了。
要理解出了什么问题，可以想象自己落入黑洞。首先你要跨越事件视界(当你通过那里时，并不会感觉到任何不同)，从此你就再也无法回头。到此为止，爱因斯坦的方程仍然按照它们应该的方式发挥作用，为时空演变的未来提供了一致的确定性。
但是当你继续往黑洞深处坠落时，最终你会经过另一条界限，即Cauchy视界。在这里一切变得棘手起来。爱因斯坦方程开始反馈说，这里有许多不同的时空配置。它们都不同，但它们都满足方程。这个理论不能告诉我们哪个选项是真的。对于一个物理理论来说，这是弥天大罪。
加拿大圭尔夫大学的物理学家Eric Poisson说：“我们在广义相对论中发现的预测性的丧失非常令人不安。”
罗杰·彭罗斯提出了强宇宙审查猜想，以恢复爱因斯坦方程的可预测性。猜想将Cauchy视界归结成某种数学结构。它可能存在于一个理想化的情景中，即宇宙只包含一个旋转黑洞，但它不能以任何真实的意义存在。
彭罗斯认为，原因是Cauchy视界不稳定。他说，任何经过那里的物体掀起的引力波都会将柯西视界坍缩成一个奇点——一个无限密度的区域。因为真正的宇宙波澜起伏，所以永远不会出现“野生”的Cauchy视界。
因此，询问Cauchy视界后面的时空中会发生什么，这是无稽之谈，因为在广义相对论理论中，那里压根就没有什么时空。
然而，现在更加精湛的数学技术表明，视界确立的时空边界远非彭罗斯想象的那么单纯。
拯救黑洞
斯坦福大学的数学家Dafermos和Luk证明了Cauchy视界的情况并不那么简单。他们的工作很微妙——推翻了彭罗斯强宇宙审查猜想理论机制，但并未完全否决其思想内核。
在十年前其他同事工作的基础上，这对拍档证明Cauchy视界确实会坍缩成一个奇点，但不是彭罗斯预期的那种。 Dafermos和Luk论文中的奇点比彭罗斯推导出的更加温和——他期望有一个强烈的“类空间”奇点。这种较弱的奇点形式可以拖曳时空结构，但不会破坏它。“我们的定理意味着穿越Cauchy视界的观测者不会被潮汐力撕裂。他们可能会感到遭遇了车裂，但实际上并没有。”Dafermos在一封电子邮件中解释道。
因为在Cauchy视界形成的奇点实际上比强宇宙审查猜想所预测的更为温和，所以广义相对论还是需要考虑视界的后面会发生的事情。剑桥大学的物理学家 Harvey Reall,说：“定义柯西视界还是很有意义的，因为如果愿意的话，物理学家就可以不停地延展时空。”
Dafermos和Luk证明时空超越了Cauchy视界。他们还证明，从相同的起点，它可以以所有可能的方式延伸：“有很多这样的延伸，人们可以描述它们，而且没有理由非要从中选择一个未来。”Dafermos说。
然而——这是他们工作中的微妙之处——这些非时空的时空延伸并不意味着爱因斯坦的方程式超越了视界。
爱因斯坦方程通过量化时空随时间的变化而发挥作用。在数学语言中，它需要时空初始配置的导数。为了可解性，时空必须足够“光滑”——没有不连续的跳跃。 Dafermos和Luk指出，尽管Cauchy视界以外依然存在着时空，但这种扩展的时空并不足以实际满足爱因斯坦方程。因此，即使强宇宙审查被证明是错误的，我们还是不能将广义相对论方程用在视界的后面。
Reall说：“他们提供了非常有说服力的证据，在我看来，他们是对的。”
你可以把这个结果想象成一种令人失望的妥协：尽管你可以延长Cauchy视界范围以外的时空，但爱因斯坦方程无法应用到那里。但正是因为存在这种缓冲地带，使得Dafermos和Luk的工作变得如此有趣。
“这么久以来，终于有人从爱因斯坦的理论中发掘出了真正新颖的东西。”Rodnianski说。
本文译自 quantamagazine，由 majer 编辑发布。