黑洞的迷你兄弟之时空的bug|奇点|宇宙|引力|弦理论|爱因斯坦|黑洞

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原作：Paul M. Sutter, Universe Today

翻译：姜力萌

校译：钟艺

编排：刘斯媛

后台：朱宸宇

https://phys.org/news/2023-05-black-holes-defects-spacetime.html

黑洞系统艺术想象图

图源：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State. Aurore Simonnet

众所周知，黑洞是一类bug级天体。它们可大可小：超大质量者如我们银河系中心四百多万太阳质量的Sgr A*，（相比而言）平平无奇的恒星级黑洞也有几倍或者十几倍太阳质量。黑洞的引力是如此之强，以至于连光都无法逃脱，还扭曲了自己周围的时空。很巧的是，最近一组理论物理学家在时空中又发现了一种奇怪的结构，在我们外部观察者看来，这种结构完全像是一个黑洞，但仔细观察却又是另一回事：它们更像是宇宙结构本身的缺陷。

早在上个世纪，爱因斯坦的广义相对论就预言了黑洞的存在：黑洞是由巨大的恒星在生命的尽头坍缩形成的。但这个理论同时预测，黑洞的中心——奇点——是无限密度的点。由于我们知道无限密度不可能在宇宙中实际存在，我们认为这表明爱因斯坦的理论是不完整的。然而直到如今，经过近一个世纪的寻找、延伸、推论后，我们仍旧没有找到一个更好的引力理论。

不过我们还是有备选理论的（比如弦论）。在弦论中，宇宙所有的粒子实际上都是微观的“能量弦线”震荡产生的，不同的震荡方式对应着不同的粒子。可想而知，这些弦不可能只是在我们的三维空间中震荡。相反，必须有额外的空间维度。这些维度自己蜷成流形、蜷得小到可以逃避我们的注意和实验。

时空中的这种奇异结构给了上面提到的研究小组所需要的工具来识别一类新的物体——拓扑孤子。在他们的分析中，这些拓扑孤子是时空本身的缺陷（但稳定）。它们的存在不需要物质或其他力量——它们对时空结构来说就像冰上的裂缝一样自然。该研究发表在《物理评论D》期刊上。

这个科研组的人员通过弧子附近的光的行为来研究这些弧子。因为它们是极端时空的产物，会弯曲周围的空间和时间，从而影响到光的路径。对于一个遥远的观测者来说，这些孤子会像我们预测的黑洞那样出现。它们会有阴影、光环等构造。也因此，事件视界望远镜（EHT）得到的图像和探测到的引力波特征都应当有相同的表现。

只有当你靠近时，你才会意识到你看到的并不是一个黑洞。黑洞的关键特征之一是它的事件视界：这是一个假想的表面，穿过它就再也无法逃脱的一个表面。拓扑孤子，毕竟它们不是奇点，所以就没有事件视界的特征。也就是说，原则上你其实可以走到一个孤子面前，把它握在手里。嗯，假如你能在这次相遇中幸存下来的话。

这些拓扑孤子是基于我们对弦理论的理解的假设物体，然而，须注意弦理论尚未被证明是现有物理学理论的可靠更新。即便如此，这些奇异的物体可以作为重要的测试研究。如果研究人员能够发现拓扑孤子和传统黑洞之间的重要观测差异（即有无事件视界），就有可能为找到一种测试弦理论的方法铺平道路。