愛因斯坦方程式需要修正？新理論或揭開黑洞核心之謎

根據量子力學理論，黑洞奇點不應該存在。最近，科學家對愛因斯坦的廣義相對論方程式進行了微調，這或許能解釋黑洞核心的真正面貌，並消除奇點這一概念。理論物理學家提出了一種潛在的解決方案，針對現代物理學中最令人困惑的問題之一：黑洞奇點悖論。研究人員在一項新研究中建議，透過修改廣義相對論，黑洞中心無限彎曲的區域可以被一個高度彎曲但規則的時空區域所取代。

「奇點是宇宙中空間、時間和物質被壓縮和拉伸至不存在的區域，」英國杜倫大學博士後研究員、研究共同作者羅比·亨尼加爾透過電子郵件告訴《生活科學》。「這是一個非常嚴重的問題，因為如果奇點真的存在於我們的宇宙中，對科學來說將是災難性的。我們將無法使用物理方程式從過去和現在預測未來。因此，大多數實踐科學家認為奇點並非物理存在，而是告訴我們廣義相對論必須被一個更完整的理論所取代，以描述奇點附近的宇宙。」

自1915年提出以來，廣義相對論在解釋天體物理和宇宙學現象方面取得了顯著成功，包括黑洞的形成、中子星的結構以及宇宙的大尺度結構和演化。然而，該理論存在根本性的限制。它與量子力學不相容，後者控制著最小尺度上粒子的行為，並且它預測了黑洞中心和大爆炸時的奇點——無限密度的點。

為瞭解決這個問題，研究人員使用了一種稱為量子重力的概念，這通常應用於嘗試將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學統一起來。量子力學預測了空虛空間中粒子的不斷產生和湮滅，以及所有場（包括重力）的持續波動。他們的研究於二月發表在《物理學快報B》上，建議在極高能量或極小距離下，廣義相對論的方程式應該透過無限系列的附加項進行修改。

「在量子重力中，人們考慮所有與已知物理原理一致的方程式修正，這些方程式將系統的能量和動量與時空曲率聯絡起來，」亨尼加爾說。「不同的量子重力方法會對方程式中的不同項賦予不同的重要性，但它們都表明愛因斯坦的方程式需要修正。」

透過將這些修改納入計算，研究人員檢驗了黑洞在這一修正框架下的行為。他們的結果顯示，當包含無限數量的新項時，奇點消失了。黑洞的核心不再是一個無限密度的點，而是一個高度彎曲但規則的時空區域。

儘管新模型在數學上解決了奇點問題，但科學理論最終必須透過觀察來測試。研究人員承認，直接證實他們的想法面臨著重大挑戰。「奇點的缺失本身很難透過實驗測試，因為它會發生在黑洞內部，或宇宙的非常早期，」巴塞隆納大學博士後研究員、研究共同作者帕布羅·卡諾透過電子郵件告訴《生活科學》。「然而，我們可以尋找導致奇點解決的理論的跡象。」

「我們考慮的廣義相對論的修改在更強的重力場中變得更大，但在其他情況下非常小，」卡諾補充道。「這意味著，例如，來自黑洞碰撞的重力波——其重力場比太陽系中的強得多——提供了一種尋找這些效應的方法。」

另一個有希望的途徑是研究早期宇宙。如果這種修改後的重力理論的效應影響了宇宙膨脹——大爆炸後的快速擴張——這些變化的證據可能會印記在原始重力波中。未來針對這些訊號的實驗可能有助於測試該理論的有效性。

此外，還需要進一步的理論工作來確定無奇點黑洞是否可以透過重力坍縮自然形成，以及團隊的方法是否可以解決其他型別的奇點，例如與大爆炸相關的奇點。「我們最近表明，某種型別的物質的坍縮在這個框架內導致了這些規則黑洞的形成，」巴塞隆納大學研究員、研究共同作者帕布羅·布埃諾說。「我們希望在更一般的假設下測試這一點。這可能會在其他領域產生有趣的特徵，例如明確的彈跳宇宙學模型，其中通常的大爆炸情景被一系列永無止境的擴張和收縮階段所取代。」