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当广义相对论遇到时空奇异性

中国科学物理辑 中国科学杂志社 2022-11-06

引力是人类认识最早,但也是至今为止理解最少的一种基本相互作用。目前最成功的引力理论是爱因斯坦的广义相对论。广义相对论克服了牛顿万有引力的超距作用,把引力现象看成时空本身的固有属性,定量上由爱因斯坦场方程来刻画。作为关于时间、空间和引力的理论,广义相对论是人类认识引力现象的一次质的飞跃。广义相对论自提出以来就经受了大量的实验检验。基于广义相对论所建立的描述宇宙演化的冷暗物质模型也取得了巨大成功,被大量的天文和宇宙学观测所证实,成为了宇宙学的标准模型。广义相对论甚至也深入到了人们的日常生活,比如人们导航所用到的全球定位系统,就必须考虑广义相对论效应的修正。作为广义相对论最重要的两个理论预言,黑洞和引力波近几年也得到实验的直接验证,为广义相对论奠定了坚实的实验基础。

广义相对论只是一个关于引力的经典理论,它本身还有不完善的地方,其中非常重要的就是时空奇异性(或奇点)问题。广义相对论的时空奇性几乎与广义相对论同时诞生。事实上,德国物理学家施瓦西在广义相对论提出后一个月就得了爱因斯坦场方程的真空球对称解——施瓦西黑洞。该黑洞中心存在曲率发散,出现“时空奇异”。由于爱因斯坦场方程是一个高度耦合的非线性方程组,早期人们只能够求解这样具有高度对称性的情况。因此,包括爱因斯坦本人在内的许多物理学家并不认为奇点会出现在真实的世界中。彭罗斯以及随后和霍金的工作,在不依赖对称性的情况下证明了时空奇异性的形成在广义相对论中几乎是不可避免的,这就是著名的奇点定理。彭罗斯也因为对时空奇点的研究而被授予了2020年的诺贝尔物理奖。

图源:https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/penrose/interview/

由于奇点普遍存在,研究时空奇性成为广义相对论中一个非常重要且棘手的问题。客观来说,甚至对时空奇异性本身人们还没有严格的数学或者物理的定义。为了避免时空奇异性对物理理论带来的不良影响,彭罗斯提出了宇宙监督假设,其包括强弱两个版本。弱宇宙监督假设要求远距离的观测者不会受到时空奇异性的任何影响,而强宇宙监督假设则希望能够保证经典理论的可预测性。需要强调的是,这两个宇宙监督假设互相独立,互不包含。同证明奇点定理不同,证明宇宙监督假设是一个相当困难的问题,到目前为止仍然没有获得完全解决。时空奇异性和宇宙监督假设成为广义相对论中的前沿研究领域,存在大量值得深入思考的问题,而对这些重要问题的理解无疑会对认识黑洞和引力本质提供巨大帮助。

近期发表在《中国科学:物理学 力学 天文学》中文版52卷第11期的综述文章“时空奇异性和宇宙监督假设”系统介绍了时空奇异性和宇宙监督假设的基本内容和相关研究进展,对于了解该领域的的历史和现状有较好帮助。文章由中国科学院理论物理研究所蔡荣根研究员李理副研究员,中国科学技术大学曹利明教授和天津大学杨润秋副教授共同撰写。该工作得到了国家自然科学基金的支持。


了解综述详情,请登陆期刊官网阅读全文。[点击下方链接或阅读原文]▼

蔡荣根, 曹利明, 李理, 杨润秋. 时空奇异性和宇宙监督假设. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2022, 52: 110401




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