“奇点是黑洞中最神秘、最有问题的部分。这就是我们的空间和时间概念实际上不再有意义的地方。

图片来源：Robert Lea（使用 Canva 创建）

一组科学家开发了一种黑洞配方，它消除了物理学中最令人不安的方面之一：中心奇点，即我们所有的理论、定律和模型都粉碎的点。

如果你要设计一个既能保持神秘感又又令人不安的物体，那么你没有比黑洞更好的办法了。

首先，这些宇宙泰坦的外边界是一个称为事件视界的单向光捕获表面，在这个点上，黑洞的引力非常强大，甚至连光都无法逃脱。这意味着任何信息都无法从黑洞中逃脱，因此我们永远无法直接观察或测量黑洞的核心。

使用爱因斯坦 1915 年提出的引力理论（称为广义相对论）的数学原理，科学家们可以模拟黑洞的内部。问题在于，当他们这样做时，广义相对论告诉我们，所有的数学值都在黑洞中心的“奇点”处趋于无穷大。

这项新研究表明，没有中心奇点的“普通黑洞”——物理学上相当于吃蛋糕——可能不仅仅是充满希望的物理学家的狂热梦想。

爱因斯坦的广义相对论指出，具有质量的物体弯曲了时空结构（空间的三个维度与时间的一个维度联合起来），引力从这个曲率中产生。质量越大，时空曲率越极端，引力的影响就越强。所有这些都是用支撑广义相对论的方程计算的：爱因斯坦的场方程。

“时空曲线的方式是由爱因斯坦场方程决定的，爱因斯坦场方程是广义相对论的基石，”西班牙巴塞罗那大学 （ICCUB） 宇宙科学研究所的团队成员巴勃罗·安东尼奥·卡诺·莫利纳-尼尼罗拉 （Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola。

“这些方程式非常成功，因为它们预测了宇宙中大量可观察到的现象，从行星的运动到宇宙的演化和黑洞的存在，”他补充说。“但他们也预测奇点的存在，这是有问题的。”黑洞是具有极曲率的时空区域，最初是德国物理学家和天文学家卡尔·施瓦茨柴尔德 （Karl Schwartzchild） 在 1915 年第一次世界大战期间在前线服役时提出的爱因斯坦场方程解的一个概念。这些解在该区域的中心走向无穷大。物理学家不喜欢无穷大，因为它们表示他们模型的崩溃或不完备，或者暗示完全非物理的东西。这意味着物理学家确实感到不安和不受欢迎。

“在广义相对论中，黑洞的内部就像一个收缩的宇宙，其中奇点代表空间本身坍缩的时刻，”莫利纳-尼尼罗拉说。

荷兰莱顿国立博物馆 Boerhaave 墙上的壁画展示了爱因斯坦的场方程。（图片来源：Robert Lea）

莫利纳-尼尼罗拉补充说，许多物理学家认为，当引力变得异常强大并且时空高度扭曲时，广义相对论必须被更基本的理论所取代。据推测，这将是一个量子引力理论，导致一个“万物理论”，它将把迄今为止不相容的广义相对论和量子物理学理论结合起来。

“希望在这个完整的理论中，黑洞奇点将被消除，”莫利纳-尼尼罗拉说。“现在，我们的规则黑洞配方正是朝着这个方向发展的，但我们没有使用完整的量子引力理论，而是使用一种叫做'有效理论'的东西。”这是一个经典的引力理论，应该捕捉到假设的量子引力理论的影响。

这相当于该团队修改了爱因斯坦场方程，以便在时空高度弯曲时，引力的行为会有所不同。最终，这导致黑洞的中心奇点被移除。

这个新修改的理论表明，黑洞的中心没有奇点。那么，在这个极端的、异国情调的领域里存在着什么呢？

“在我们的模型中，时空坍缩停止，奇点被位于黑洞核心的高度扭曲的静态区域所取代，”莫利纳-尼尼罗拉说。“这个区域是静态的，因为它不会收缩。这意味着观察者可以假设他们能够在这个区域的巨大但有限的引力中幸存下来。

如果这个理论是正确的，那么除了弯曲的时空之外，黑洞的中心还有什么呢？根据 Hennigar 的说法，严格来说，什么都没有。

“这些黑洞到处都是纯粹的真空;不需要存在物质，但如果需要，可以很容易地包含它，“这位达勒姆大学的研究人员继续说道。“在没有物质的情况下出现黑洞听起来可能很奇怪，但即使在广义相对论中也可能发生同样的事情。”

插图显示了一个黑洞导致时空“骤降”扭曲。（图片来源：Robert Lea（使用 Canva 创建））

即使该团队的黑洞概念得到验证，它也可能不会阻止对有效的量子引力模型和万物理论的寻找。

“从某种意义上说，这是一个无法避免的问题。在我们的宇宙中，恒星一直在坍缩;这是一个不可避免的物理过程。但这种司空见惯的事情让我们超越了我们所知道的一切，“Hennigar 继续说道。“在坍缩的最后阶段，就在到达奇点之前，引力和量子效应都很重要。

“所以我们已经知道，仅从广义相对论中得出的结论不足以描述这样一个极端的地方/时刻。”

如果正确的话，这项研究可能在一定程度上揭开了黑洞的神秘面纱，但它提出了许多仍需回答的问题。

“我们的工作为一些谜团提供了答案，但也打开了其他谜团，”莫利纳-尼尼罗拉说。“例如，根据我们的模型——以及科学文献中的其他提议——落入常规黑洞内的物质最终会通过位于不同宇宙或同一宇宙中不相连区域的白洞离开黑洞。

“这看起来很奇特，但如果奇点不存在，这是唯一的可能性：所有进入黑洞的东西最终都必须从黑洞中出来。”

物质涌入黑洞，穿过爱因斯坦-罗森桥，出现在宇宙的另一个区域（图片来源：Robert Lea（使用 Canva 创建））

这位研究人员补充说，这个过程本身就存在问题，也必须对这些问题进行调查，以评估团队想法的稳健性。

最大的问题是科学家们是否能从对黑洞的实际观测中找到这一理论的证据;毕竟，我们知道我们不能简单地窥视他们的内部。

“这很难说，因为导致奇点解析的影响可能只有在极强的引力状态下才能观察到，可能比我们希望观察到的要强得多，”莫利纳-尼尼罗拉说。“但是，有一些实验可以为我们提供一些可能性。”

莫利纳-尼尼罗拉解释说，观测时空涟漪（称为引力波）使天文学家能够观察到比以往任何时候都更强的引力场。这为科学家提供了一个独特的机会，可以尝试发现广义相对论之外的效应，包括那些可能导致奇点分辨率的效应。

此外，如果该团队的理论是正确的，那么在宇宙大爆炸之后的宇宙膨胀时代，应该有一个明显的印记。

“在这方面，探测到原始引力波背景（尚未被探测到）可能会为引力的可能变化提供线索，”莫利纳-尼尼罗拉说。“最后，没有奇点的一个结果是，通过霍金辐射蒸发黑洞的最终产物将是一个微观的黑洞。“这些微观黑洞提供了一个可能的暗物质候选者。因此，如果暗物质被证明是由微小的黑洞组成的，这将是支持不存在奇点的间接证明。

该团队的研究于 2025 年 2 月发表在《物理快报 B》杂志上。