????重點提要

????-傳統(tǒng)看法認為大質(zhì)量恒星最終會坍塌成黑洞，但有些理論模型卻預測那會形成所謂的“裸奇點”，這是天文物理上懸而未決的重要問題。

????- 裸奇點的發(fā)現(xiàn)會為物理學上的統(tǒng)一理論提供直接的觀測，對該理論的影響甚巨。

????現(xiàn)代科學已把許多奇怪的概念昭告天下了，但其中最詭異的，莫過于大質(zhì)量恒星到達其生命盡頭時所面臨的命運。在燃燒了億萬年后，恒星的燃料耗盡，無法再支撐自身的重量，于是開始災(zāi)難性的崩塌。像太陽這類大小適中的恒星會在崩塌成較小體積時，再度穩(wěn)定下來；但若是質(zhì)量更大的恒星，它的重力將壓過所有阻止坍塌的力量，使得恒星從原本數(shù)百萬公里的大小，塌縮成比英文字母“i”上的一點還微小。

????多數(shù)物理學家與天文學家認為這個結(jié)果就是黑洞──一種具有強大重力而沒有任何東西能夠逃離其近旁的天體。黑洞的核心是個奇異點(singularity)，恒星上頭所有的物質(zhì)都縮進了這個體積無限小的點，環(huán)繞在奇異點周邊的就是物質(zhì)無從逃脫的空間，其邊界稱為“事件視界”。任何物體一旦進入事件視界之內(nèi)，就永遠無法離開這個區(qū)域，就連物體所發(fā)出的光也會陷落其中，因此外界的觀測者再也看不到它。墜入的物體最終將撞毀在奇異點上。

????然而這個描述是否真確？從已知的物理定律，我們清楚知道奇異點會形成，但不怎么確定事件視界的存在。大部份物理學家實行的假設(shè)是視界必須存在，只因為以視界做為科學的屏障是非常誘人的概念。物理學家尚未完全厘清奇異點上究竟怎么了：物質(zhì)是被壓垮了，但變成了什么呢？事件視界將奇異點藏匿起來，也阻隔了我們對它的探索；奇異點上可能發(fā)生各種未知的事情，但對外界不產(chǎn)生任何效應(yīng)。天文學家在描繪行星與恒星軌道時，完全不必考慮奇異點的影響，因為不論在黑洞里發(fā)生什么事情，都只會留在黑洞里。

????但是，越來越多的研究質(zhì)疑著這個一向被視為理所當然的假設(shè)。在許多關(guān)于恒星坍塌的學說中，事件視界并未形成，因此奇異點其實就暴露在我們眼前，物理學家稱它為“裸奇點”，物質(zhì)與輻射可墜入也可彈出這個區(qū)域，也就是說，以往我們以為造訪黑洞里的奇異點是趟有去無回的旅程，但其實你卻可以在非常接近裸奇點后全身而退，并敘述你此行的見聞。

????假如欠缺事件視界的裸奇點真的存在，在奇異點附近發(fā)生的神秘事情將會沖擊外在的世界。裸奇點可以用來解釋天文學家已觀測到卻無法解釋的高能現(xiàn)象，并提供了一個探索時空最精細結(jié)構(gòu)的實驗室。

????不準偷看奇異點！

????奇異點顯然是個神秘的東西，它們是重力強度無限大的地方，已知的物理定律在此完全失效。根據(jù)物理學家目前對重力的理解，奇異點潛藏在愛因斯坦的廣義相對論里，無可避免地會在巨大恒星崩塌的過程中產(chǎn)生。廣義相對論無法解釋主導著微觀世界的量子效應(yīng)，而量子效應(yīng)必將介入恒星坍塌的過程，以防止重力強度真的變成無限大，但物理學家對發(fā)展出可用來解釋奇異點的量子重力理論，仍一籌莫展。

????相較之下，要解釋在奇異點周圍發(fā)生的事情，似乎較為直接而容易。恒星的事件視界大小可達數(shù)公里，遠大于量子效應(yīng)的尺度，假設(shè)沒有其它新的作用力介入，應(yīng)可單純地用廣義相對論來解釋。廣義相對論所根據(jù)的是我們已經(jīng)非常了解的原理，而且已通過了90年的觀測驗證。

????雖然如此，要將理論套用到恒星坍塌的現(xiàn)象，仍是件艱巨的工作。愛因斯坦的重力方程式是出了名的復雜，物理學家必須做些簡化的假設(shè)才能順利解出。美國物理學家歐本海默(J.RobertOppenheimer)與史奈德(HartlandS.Snyder)在1930年代末期首開先例，為了簡化方程式，他們只考慮完美的球狀恒星，并假設(shè)它們是由密度均勻的氣體所構(gòu)成，且氣體壓力忽略不計。他們發(fā)現(xiàn)當這類理想恒星坍塌時，表面的重力會持續(xù)增加，最終強大到足以圈捕住所有的光與物質(zhì)，形成事件視界，恒星不再能被外界觀測者看到，之后更迅速塌縮成奇異點。另外，印度物理學家達特(B.Datt)也獨立做出同樣的結(jié)果。

????當然，真實的恒星復雜多了。它們的密度并不均勻，而且氣體會施加壓力，同時有各種形狀。是否每個質(zhì)量夠大的恒星都會變成黑洞呢？1969年，英國牛津大學的物理學家彭若斯(RogerPenrose)認為答案是肯定的。他推測在恒星坍塌時，需形成事件視界才能形成奇異點，由于總是被視界遮住，大自然并不允許我們窺看奇異點。彭若斯的猜想被稱為宇宙審查假說，雖然只是個猜測，卻鞏固了現(xiàn)代黑洞研究。物理學家希望能夠以嚴謹?shù)臄?shù)學來證明這個假說，就像當初證明奇異點是不可避免的那樣。

????裸奇點的誕生

????然而這樣的期望并沒有實現(xiàn)。我們沒有提出任何關(guān)于宇宙審查假說的直接證明，反而開始一一分析重力坍塌的各種狀況，借著增加理想化模型所欠缺的性質(zhì)，逐漸讓我們的理論模型更準確。1973年，德國物理學家塞費德(HansJu?rgenSeifert)與同事考慮了密度不均勻的恒星。非常有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)密度不同的各層物質(zhì)在坍塌時，彼此會有交互作用而短暫地產(chǎn)生不被視界遮蔽的奇異點。在眾多不同的奇異點類型中，這種奇異點算是相當溫和的，雖然密度會在某處變得無限大，重力強度卻不會，所以奇異點并未將墜入的物體擠壓成一個無限小的點。因此，廣義相對論沒有失效，而物質(zhì)也可以行經(jīng)該處，而非步入終點。

????1979年時，美國加州大學圣巴巴拉分校的爾德黎(Douglas M.Eardley)與伊利諾大學香檳分校的斯馬爾(LarrySmarr)更進一步以數(shù)值計算，仿真具有真實密度剖面(中心密度最高并逐漸向表面遞減)的恒星，蘇黎士瑞士聯(lián)邦理工學院的克利斯托杜洛(DemetriosChristodoulou)則在1984年以紙筆重復相同的計算。這兩項研究結(jié)果都一樣，恒星體積收縮成零，并產(chǎn)生裸奇點。但此模型仍忽略了壓力，所以當時在英國約克大學的紐曼(RichardP.A.C.Newman)再度證實了這種奇異點的重力并不強勁。

????受到這些發(fā)現(xiàn)的激勵，包括我在內(nèi)的許多研究人員試圖制定一個嚴格的定理：裸奇點的重力一定很微弱。然而我們并沒有成功，原因很快就被厘清了：裸奇點并不都是微弱的。我們發(fā)現(xiàn)了許多不均勻坍塌的學說，可產(chǎn)生具有強大重力、能真正將物質(zhì)擠壓至無形的奇異點，同時可被外界看見。當時任職于印度阿格拉大學的兌偉諦(IndreshDwivedi)與我，于1993年發(fā)展出在不考慮氣體壓力下對恒星坍塌的一般分析，厘清并確認了這些觀點。

????1990年代早期，物理學家開始考慮氣體壓力的效應(yīng)。以色列技術(shù)學院的歐瑞(AmosOri)與耶路撒冷希伯來大學的皮蘭(TsviPiran)進行數(shù)值模擬，而我的團隊則精確解出相關(guān)的方程式，證實了具備真實密度與壓力關(guān)系的恒星，是能夠塌縮成裸奇點的。約莫同時，意大利米蘭理工大學的馬格利(GiulioMagli)與日本大阪市立大學的中尾健一的兩支團隊，都將塌縮的恒星內(nèi)由粒子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的一種特殊型態(tài)的壓力加入計算，也顯示了在許多情況下，坍塌都會產(chǎn)生裸奇點。