根据量子力学理论，黑洞奇点不应该存在。对爱因斯坦的广义相对论方程的新调整最终可以消除它们，并解释黑洞中心的真正含义。

黑洞奇点——位于宇宙怪物中心的无限密度理论点——违背了物理学。对爱因斯坦相对论提出的新调整可能最终会消除它们。 （图片来源：Adis Resic via Pixabay）

理论物理学家为现代物理学中最令人费解的问题之一——黑洞奇点悖论——提出了一个潜在的解决方案。研究人员在一项新的研究中建议，通过修改爱因斯坦的广义相对论，具有无限曲率的黑洞的中心可以被高度弯曲但规则的时空区域所取代。

“奇点是宇宙中空间、时间和物质被粉碎并延伸到不存在的区域，”该研究的合著者、英国杜伦大学博士后研究员罗比·亨尼加尔 （Robie Hennigar） 。“这是一个非常严重的问题，如果奇点真的存在于我们的宇宙中，那对科学来说将是灾难性的。

“我们不能再使用物理方程式来从过去和现在预测未来，”他继续说道。“由于这些原因，大多数实践科学家都认为奇点不是物理的，但他们告诉我们，广义相对论必须被一个更完整的理论所取代，来描述奇点附近的宇宙。”

自 1915 年问世以来，广义相对论在解释天体物理学和宇宙学现象方面取得了巨大成功，包括黑洞的形成、中子星的结构以及宇宙的大尺度结构和演化。

然而，该理论有根本的局限性。它与量子力学不兼容，量子力学控制着最小尺度上粒子的行为，并且它预测了黑洞中心和大爆炸处的奇点——无限密度的点。

为了解决这个问题，研究人员使用了一个称为量子引力的概念，该概念通常用于尝试将爱因斯坦的广义相对论与量子力学统一起来，量子力学预测粒子在虚空中的连续产生和湮灭，以及包括引力在内的所有领域的永久波动。他们的研究于 2 月发表在《物理学快报 B》杂志上，该研究表明，在极高的能量或极小的距离下，广义相对论应该在其方程中被无限系列的附加项所修改。

“在量子引力中，人们考虑了对将系统的能量和动量与时空曲率相关的方程的所有修正，这些方程与已知的物理原理一致，”Hennigar 说。“量子引力的不同方法会对方程中的不同项给予不同的重视，但它们都表明爱因斯坦方程需要改进。”

通过将这些修改纳入他们的计算中，研究人员研究了黑洞在这个修订后的框架下的行为。他们的结果表明，当包含无限数量的新项时，奇点就会消失。黑洞的核心不再是一个无限密集的点，而是一个高度弯曲但规则的时空区域。

尽管新模型从数学上解决了奇点问题，但科学理论最终必须通过观察来检验。研究人员承认，直接证实他们的想法是一项重大挑战。

“奇点的缺失本身很难通过实验来测试，因为它会发生在黑洞内部，或者发生在宇宙的最初阶段，”巴塞罗那大学博士后研究员、该研究的另一位合著者巴勃罗·卡诺 （Pablo Cano）。“但是，我们可以寻找导致奇点解决的理论特征。

“我们认为的广义相对论的修改在更强的引力场中变得更大，但在其他方面则非常小，”卡诺补充道。“这意味着，例如，来自黑洞碰撞的引力波——黑洞的引力场比太阳系强得多——提供了一种寻找这些效应的方法。”

另一个有前途的途径是对早期宇宙的研究。如果这种改进的引力理论的影响影响了宇宙膨胀——大爆炸之后的快速膨胀——这些变化的证据可能会印在原始引力波中。未来针对这些信号的实验可能有助于检验该理论的有效性。

此外，还需要进一步的理论工作来确定无奇点黑洞是否可以通过引力坍缩自然形成，以及该团队的方法是否可以解决其他类型的奇点，例如与大爆炸相关的奇点。

“我们最近表明，在这个框架内，某种类型物质的坍缩导致了这些规则黑洞的形成，”巴塞罗那大学研究员、该研究的合著者巴勃罗·布埃诺（Pablo Bueno）说。“我们希望在更一般的假设下对此进行测试。这可能会在其他领域产生有趣的特征，例如弹跳宇宙学的明确模型，其中通常的大爆炸场景被一系列永无止境的膨胀和收缩阶段所取代。