黑洞真的存在吗?

大多数物理学家认为黑洞是真实存在的,但相关证据是间接的,而且这一理论仍有一些未解的问题。

直接答案

是的,黑洞几乎肯定存在。天文学家已经观测到一些不可见、质量极大的天体,它们支配着银河系中心恒星的运动,并在并合时产生引力波,而这些观测结果用黑洞来解释最为合理[3][5]。不过,这些证据是间接的:我们是通过它们的引力效应推断其存在,而不是直接看到事件视界;还有一些研究者认为,引力可能并不总是吸引的,如果真是这样,就需要重新思考这一理论[3]。

5篇文献引用

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为什么大多数物理学家相信黑洞真实存在

最有力的证据来自观察物体的运动方式。在银河系中心,恒星围绕着一个不可见但极重的天体运行,而目前已知唯一能把这么多质量压缩到如此小空间里的方式,就是黑洞[3]。这是间接证据,但它在许多观测中表现一致。

第二条证据来自引力波。LIGO/Virgo/KAGRA 探测器观测到一些并合天体,它们的质量落在通常与普通恒星遗迹无关的范围内,而这些观测结果与黑洞并合相符[5]。综述这些证据的论文认为,原初黑洞——在早期宇宙中形成的黑洞——可以解释这些并合,以及另外一些令人困惑的观测现象,包括高红移矮星系和银河系盘的加热[5]。

黑洞是什么,为什么内部会出问题

黑洞是一个引力强到连光都无法逃逸的区域。在描述引力的经典广义相对论中,黑洞包含一个奇点——在那里密度和曲率变得无限大,已知的物理定律失效[1]。正如霍金所论证的,所有已知物理定律都必须在奇点处失效,因此,这个奇点能否在时空的量子描述中消失,就成了一个重要问题[1]。

2024年的一篇论文对黑洞内部进行了量子化,发现波函数在奇点附近是规则且行为良好的,这表明在量子引力中可能存在规则黑洞——即没有奇点的黑洞[1]。这是一个理论上的推测,而不是观测结果,它并不能告诉我们,我们在天空中观测到的黑洞究竟是规则黑洞还是奇点黑洞。

定义难题:什么才算黑洞?

困难之一在于,就连黑洞的定义也还没有定论。2022年的一篇论文比较了基于事件视界和表观视界的定义,并提出了一个具有闭合表观视界的非奇异黑洞模型[2]。这表明,定义黑洞边界有不同的方式,而定义的选择会影响我们对其存在性的结论。

该论文还提出了一个厚壳模型来描述黑洞中的粒子产生,并证明对于远大于普朗克质量的黑洞,粒子产生区域对黑洞参数的反作用小到可以忽略[2]。这是一个关于黑洞如何蒸发的技术性结果,但它对存在性问题很重要,因为它表明黑洞可以被一致地描述,而不会立刻自我毁灭。

少数派观点:引力也许并不总是吸引的

并非所有人都信服。2021年的一篇论文认为,如果引力总是吸引的,广义相对论就会导致黑洞;但实验显示,随着温度升高,重量会减少,作者称这表明存在排斥性引力[3]。作者的结论是,引力并不总是吸引的,广义相对论可能需要扩展为五维理论,而这将需要重新论证黑洞的存在[3]。

这是一种少数派立场,该论文并没有提供排除黑洞存在的直接观测。主流观点仍然是:我们观测到的那些不可见的大质量天体就是黑洞,但存在性问题在基础理论层面仍有争论[1][3]。

本文引用的文献

1

规则量子黑洞存在吗?

对黑洞内部进行量子化得到的波函数在奇点附近是规则的,这表明量子引力中可能存在规则黑洞。

2

黑洞存在吗?

比较了黑洞的事件视界定义和表观视界定义,并提出了一个具有闭合表观视界的非奇异模型,表明对于远大于普朗克质量的黑洞,粒子产生的反作用可以忽略。

3

关于黑洞存在的问题

认为引力可能并不总是吸引的,这将需要扩展广义相对论并重新论证黑洞的存在。

4

暴胀与原初黑洞

综述了能够通过放大曲率扰动来产生原初黑洞的暴胀情景。

5

原初黑洞的观测证据:实证主义视角

综述了来自引力透镜、动力学、吸积和引力波的观测证据,表明原初黑洞可以解释若干宇宙学观测,包括 LIGO/Virgo/KAGRA 的并合事件。