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数学家终于解决了广义相对论中遗留下的最深刻问题之一。去年秋天在网上公开发布的一篇论文中，数学家Mihalis Dafermos和Jonathan Luk证明，关于黑洞内部的强宇宙审查猜想是错误的。

普林斯顿大学数学家Igor Rodnianski表示:“我个人认为这是一篇杰作--因为它，我们对广义相对论的理解有了质的飞跃。”

强宇宙审查猜想是1979年由有极具影响力的物理学家罗杰·彭罗斯提出的。几十年来，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论已经作为研究宇宙对象的最佳理论。然而，20世纪60年代，数学分析表明，当把爱因斯坦方程应用在黑洞时会得到令人不安的多重解。多重解意味着多个不同的时空。理论丧失了确定性和可预测性，实在理解不了的，不妨类比一下算术中除以0时发生的事情。彭罗斯认为，如果他的强宇宙审查猜想是正确的，那么这种确定性的丧失就可以被视为一种数学上的奇技淫巧而不是对真实世界的描述。

普林斯顿大学的数学家Dafermos说:“彭罗斯提出了一个猜想，试图从根本上杜绝这种黑洞的不良行为。”

最新的工作打破了彭罗斯的梦想。不过，它通过其它方式实现了他的雄心壮志，表明他对黑洞内的物理学直觉是正确的。大师毕竟是大师，大师的直觉远胜过普通人的缜密推理。

相对论的罪

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在经典物理学中，宇宙是可预测的:如果你知道主宰物理系统的规律，并且你知道它的初始状态，那么你应该能够无限地预测它未来的发展。无论你使用牛顿定律来预测台球的未来位置，用麦克斯韦方程来描述电磁场，还是用爱因斯坦的广义相对论来预测时空形状的演变，这种说法都毫无问题。“这是所有经典物理学可追溯到牛顿力学的基本原理，”苏黎世联邦理工学院数学家，爱因斯坦方程研究的领军人物Demetrios Christodoulou说， “你可以从最初的数据中确定未来的走向。”

但是在20世纪60年代，数学家发现了一个物理场景，其中爱因斯坦的场方程--他广义相对论的核心--无法继续描述可预测的宇宙。数学家和物理学家注意到，当他们模拟旋转黑洞内时空的演变时，问题就来了。

要理解出了什么问题，可以想象自己落入黑洞。首先你要跨越事件视界(当你通过那里时，并不会感觉到任何不同)，从此你就再也无法回头。到此为止，爱因斯坦的方程仍然按照它们应该的方式发挥作用，为时空演变的未来提供了一致的确定性。

但是当你继续往黑洞深处坠落时，最终你会经过另一条界限，即Cauchy视界。在这里一切变得棘手起来。爱因斯坦方程开始反馈说，这里有许多不同的时空配置。它们都不同，但它们都满足方程。这个理论不能告诉我们哪个选项是真的。对于一个物理理论来说，这是弥天大罪。

加拿大圭尔夫大学的物理学家Eric Poisson说:“我们在广义相对论中发现的预测性的丧失非常令人不安。”

罗杰·彭罗斯提出了强宇宙审查猜想，以恢复爱因斯坦方程的可预测性。猜想将Cauchy视界归结成某种数学结构。它可能存在于一个理想化的情景中，即宇宙只包含一个旋转黑洞，但它不能以任何真实的意义存在。

彭罗斯认为，原因是Cauchy视界不稳定。他说，任何经过那里的物体掀起的引力波都会将柯西视界坍缩成一个奇点--一个无限密度的区域。因为真正的宇宙波澜起伏，所以永远不会出现“野生”的Cauchy视界。

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因此，询问Cauchy视界后面的时空中会发生什么，这是无稽之谈，因为在广义相对论理论中，那里压根就没有什么时空。

然而，现在更加精湛的数学技术表明，视界确立的时空边界远非彭罗斯想象的那么单纯。

拯救黑洞

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斯坦福大学的数学家Dafermos和Luk证明了Cauchy视界的情况并不那么简单。他们的工作很微妙--推翻了彭罗斯强宇宙审查猜想理论机制，但并未完全否决其思想内核。

在十年前其他同事工作的基础上，这对拍档证明Cauchy视界确实会坍缩成一个奇点，但不是彭罗斯预期的那种。 Dafermos和Luk论文中的奇点比彭罗斯推导出的更加温和--他期望有一个强烈的“类空间”奇点。这种较弱的奇点形式可以拖曳时空结构，但不会破坏它。“我们的定理意味着穿越Cauchy视界的观测者不会被潮汐力撕裂。他们可能会感到遭遇了车裂，但实际上并没有。”Dafermos在一封电子邮件中解释道。

因为在Cauchy视界形成的奇点实际上比强宇宙审查猜想所预测的更为温和，所以广义相对论还是需要考虑视界的后面会发生的事情。剑桥大学的物理学家 Harvey Reall,说:“定义柯西视界还是很有意义的，因为如果愿意的话，物理学家就可以不停地延展时空。”

Dafermos和Luk证明时空超越了Cauchy视界。他们还证明，从相同的起点，它可以以所有可能的方式延伸:“有很多这样的延伸，人们可以描述它们，而且没有理由非要从中选择一个未来。”Dafermos说。

然而--这是他们工作中的微妙之处--这些非时空的时空延伸并不意味着爱因斯坦的方程式超越了视界。

爱因斯坦方程通过量化时空随时间的变化而发挥作用。在数学语言中，它需要时空初始配置的导数。为了可解性，时空必须足够“光滑”--没有不连续的跳跃。 Dafermos和Luk指出，尽管Cauchy视界以外依然存在着时空，但这种扩展的时空并不足以实际满足爱因斯坦方程。因此，即使强宇宙审查被证明是错误的，我们还是不能将广义相对论方程用在视界的后面。

Reall说:“他们提供了非常有说服力的证据，在我看来，他们是对的。”

你可以把这个结果想象成一种令人失望的妥协:尽管你可以延长Cauchy视界范围以外的时空，但爱因斯坦方程无法应用到那里。但正是因为存在这种缓冲地带，使得Dafermos和Luk的工作变得如此有趣。

“这么久以来，终于有人从爱因斯坦的理论中发掘出了真正新颖的东西。”Rodnianski说。

本文译自quantamagazine，由译者majer基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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