我們能夠區分裸奇點和黑洞嗎？

編譯：Zwicky
來源：原理

當一顆大質量恒星耗盡其燃料時，它會在自身的引力下坍縮，最終在空間中形成一個物質密度任意高的區域，即所謂的 奇點 。在奇點上，普通的物理定律都將失效。如果這個奇點被 事件視界 包圍，就形成了 黑洞 。

事件視界：一個有去無回的邊界，任何東西（包括光）一旦進入這個邊界都無法逃脫。

但是，如果事件視界并沒有形成呢？事實上，愛因斯坦的廣義相對論的確預言了這種可能性，宇宙中存在著沒有隱藏于事件視界之內的奇點，稱為 裸奇點 。

△ 左側：黑洞；右側：裸奇點。虛線代表了黑洞的事件視界，箭頭代表光的傳播方向。在黑洞的情況中，由于事件視界的存在，所有的光線最終會止于奇點。但是，光線則可能從裸奇點的附近逃脫。（圖片來源：Sudip Bhattacharyya、Pankaj Joshi）

雖然愛因斯坦方程中存在著裸奇點的解，但是關于它們是否真實存在一直存在著爭議。羅杰·彭羅斯就提出過宇宙審查假說：“自然憎恨裸奇點”。彭羅斯認為裸奇點（除了大爆炸）在現實宇宙中是無法存在的。此外，2017年3月30日發表于《物理評論快報》的一項最新研究中也指出【1】，如果通過某種邪惡的方式，在空間中創造出一個裸奇點，它會很快的就停止存在。因為量子效應會迫使裸奇點迅速成為一個黑洞。

接下來我們假設裸奇點確實存在于宇宙之中。那么一個重要的問題是，要如何在觀測上區分一個裸奇點和一個黑洞？

愛因斯坦的理論預言了一個有趣的效應：一個處于轉動狀態的物體會對其周圍的時空產生拖曳的現象，被稱為 參考系拖曳 。這個效應會導致陀螺儀自旋，以及使圍繞著這些天體的粒子軌道產生進動。

來自印度孟買塔塔基礎研究機構（TIFR）的一個科研團隊宣稱他們找到了一個新的方法來探測裸奇點。他們認為如果把一個陀螺儀放在旋轉黑洞或裸奇點的附近，陀螺儀的進動頻率就可以用來識別該旋轉物體。

如果有一個宇航員能夠記錄靠近旋轉物體的兩個固定點上的陀螺儀的進動頻率，就會觀測到兩種可能性：

1. 陀螺儀的進動頻率會變的任意大，也就是說陀螺儀的行為會有瘋狂的改變；

2. 進動頻率改變很小的量，陀螺儀的行為就會跟平常一樣。

情況(a)就意味著旋轉物體是黑洞，而在(b)的情況中，旋轉物體則是裸奇點。

事實上，TIFR團隊指出，圍繞著黑洞或裸奇點的陀螺儀進動頻率跟事件視界的頻率相關。無論從任何方向， 一個自旋的陀螺儀在靠近黑洞的事件視界時都會表現的越來越“瘋狂”，它會進動的越來越快，并且沒有限制。但是，在裸奇點的情況中，進動頻率只有在赤道平面時才會變的任意大，而在任何其它平面上都是正常的。

△ 藝術圖：在黑洞周圍的物質會形成吸積盤，并且輻射出X-射線。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

TIFR團隊也指出，落入旋轉黑洞或裸奇點的物質的軌道進動也可以用來區分這些奇異的天體。這是因為軌道平面進動頻率會隨著物質靠近旋轉黑洞而增加，但是對于一個旋轉的裸奇點，這個頻率就會減少甚至為零。這就意味著我們可以在現實中區分黑洞和裸奇點，這是因為落入旋轉黑洞或裸奇點的物質會輻射出X-射線，而X-射線的波長可以用來測量進動頻率。

參考文獻

[1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.131102

[2] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.95.044006

[3] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.95.084024

[4] https://phys.org/news/2017-04-singularity-extreme-universe.html