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黑洞内部混乱时空的新地图
物理学家探索黑洞奇点附近的混乱时空，希望解开引力与量子力学的世纪难题。新研究揭示空间随机拉伸压缩的奇景，或为理解宇宙本质带来突破。
在宇宙的开端和每个黑洞的核心，隐藏着一个密度无穷大的点，叫做奇点。这里，空间、时间、引力甚至量子力学都变得支离破碎。想象一下，如果一位宇航员不幸坠入黑洞，他的身体可能会像被搅拌机打散的鸡蛋黄与蛋白，彻底混杂在一起。这是诺贝尔奖得主Kip Thorne的生动比喻，而这种混乱景象正是物理学家们试图破解的谜团。他们相信，只要能解释奇点附近的真实情况，或许就能窥见时空的本质，甚至找到引力与量子力学融合的钥匙。
早在1960年代末，物理学家们就猜测奇点周围可能存在一片翻腾的混沌地带。马里兰大学的Charles Misner称之为“Mixmaster宇宙”，灵感来源于当时流行的厨房搅拌机。如果真是如此，空间和时间在这片区域里会毫无规律地膨胀或收缩。爱因斯坦的广义相对论用一个优雅的场方程描述黑洞的引力，但这个方程背后藏着16个复杂的相互纠缠的公式。为了研究这种混沌，Misner等人设计了一些简化假设，让他们得以一窥这个“搅拌机宇宙”。可惜，当时的计算技术有限，这些想法就像过时的家电，渐渐被冷落。爱丁堡大学的博士后研究员Gerben Oling感叹：“这种动态本应是引力中的普遍现象，可惜一度被人们遗忘。”
时光流转到近年，科学家们带着新的数学工具重返这片混沌领域。他们有两个目标：一是验证Misner等人的假设是否真能代表爱因斯坦的引力理论；二是逼近奇点，希望它的极端环境能帮助调和广义相对论与量子力学，迈向梦寐以求的量子引力理论。剑桥大学的Sean Hartnoll认为：“现在正是这些想法成熟的时机。”事实上，1960年代末正是黑洞研究的“黄金时代”，连“黑洞”这个词都才刚刚流行起来。
故事还有更戏剧化的一面。1969年9月，Kip Thorne在莫斯科访问时，从乌克兰物理学家Evgeny Lifshitz手中接过一份手稿。Lifshitz与Vladimir Belinski、Isaak Khalatnikov合作，找到了一种新的解，描述奇点附近的引力行为。因为担心苏联审查会拖延发表，他们拜托Thorne将成果带到西方。这份被称为“BKL解”的成果揭示了一个更真实的场景：黑洞并非由完美的球形恒星坍缩而成，而是来自形状不规则的物体。结果，内部时空不是平滑拉伸，而像一锅沸腾的水，四处拉扯、挤压，混乱不堪。
Thorne偷偷把手稿带回美国，寄给了Misner。巧合的是，Misner也在用类似的方法思考同样的问题。两组人马不谋而合，而BKL还解决了一个当时数学相对论的最大难题——证明“通用奇点”的存在。Belinski最近在邮件中回忆，Misner的生动描述反过来也帮他更直观地理解了这种混乱。
但这些发现背后，广义相对论和量子力学的矛盾依然刺眼。相对论认为时空是连续的，可以无限细分；而量子力学却说，低于普朗克长度的距离毫无意义，可能存在间隙。BKL提出，在奇点附近，强大的引力让空间的每个点都彼此“解耦”，各自为政。这种分裂让数学变得简单些，他们发现黑洞内部是一片杂乱无章的景象——空间在某个方向拉长，又在另两个方向压缩，然后随机翻转，像一个不断变形的橄榄球。
几十年来，物理学家们想证明这种混沌不是假设的产物，而是黑洞的本质。到2000年代，计算能力的飞跃让模拟成为可能，验证了“解耦”的合理性。与此同时，Marc Henneaux等人发现奇点附近存在复杂的对称性，不依赖解耦假设。如今，研究者们仍在追问：混沌何时出现？奇点还能告诉我们什么？
1997年，Juan Maldacena提出了AdS/CFT对应，像全息图一样连接高维与低维时空，为研究黑洞提供了新利器。2019年，Hartnoll和学生们用它探索AdS黑洞内部，发现了类似BKL的混沌。他解释：“我们想把未知的黑洞内部与已知的外部联系起来。”最近，他与学生Ming Yang在2025年2月4日的预印本中，通过平均混沌的“反弹”，找到了一种与模形式相关的模式。Hartnoll说：“这可能暗示引力背后有隐藏结构，或许能助我们迈向量子引力理论。”
即便事件视界挡住了直接观测，这片混沌的存在仍可能指向新的物理学，解答我们对现实最宏大的疑问。黑洞深处，时空的狂舞还在继续，而答案或许就在那无尽的翻腾之中。
本文译自 Quanta Magazine，由 BALI 编辑发布。
