Singularities Are Hard to Kill
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物理学中最大的谜团之一是，当两种最先进的既定理论的场碰撞时会发生什么。爱因斯坦为我们提供了一个关于引力如何工作的理论，即具有质量的物体弯曲时空本身。这就是地球绕太阳运行以及苹果落地的原因。我们称之为广义相对论。

而许多科学家一个世纪的研究成果为我们提供了另一个理论，即量子力学，它非常一致且准确地解释了原子和亚原子粒子的工作原理。因此，存在着两种内部一致的现实观，一种是关于现实本身的结构，另一种是关于填充它的粒子的。它们各自都运作得很好。

问题在于，从数学上讲，它们并不相互一致。将这两个概念结合起来就是所谓的量子引力理论。而更接近这个概念的一种方法可能是，推动爱因斯坦的引力理论直到它崩溃。当这种情况发生时，就会发生一些可怕的事情。一个物质消失、时间停止的地方，宇宙地图的字面边缘。

欢迎收听Quanta播客，我们将探索科学和数学的前沿。我是Samir Patel，Quanta杂志的主编。基于量子理论的引力描述，一种将这两个理论框架结合起来的方法，是我们物理学故事中经常出现的问题，部分原因是许多人仍在努力弄清楚它。

我们的物理学撰稿人Charlie Wood今天与我们一起讨论一种越来越接近量子引力的方法，他在最近发表在quantummagazine.org上的文章“时空奇点难以消除”中探讨了这一方法。欢迎，Charlie。你好，Samir。很高兴来到这里。在这些采访的开始，我们想问一下，最大的想法是什么？我们将通过这次谈话讨论什么？

就像你说的，我们有这两个理论，它们描述了我们宇宙的很多东西。正如你所说，广义相对论包含了我们所知道的关于空间和时间，或时空的一切。这就是光线在靠近太阳时弯曲的原因。这就是为什么在深空中的GPS卫星上的时钟走得更慢的原因。

我们还有另一个理论，量子理论，它包含了我们所知道的一切物质。这就是原子稳定的原因，霓虹灯具有其颜色的原因，超导性可能的原因。但是我们真的不知道当你将量子物质放入时空并让这两者充分相互作用时会发生什么。这导致了一些显著的盲点。

但是现实如我们现在所知的那样存在，对吧？我们有引力。我们有量子材料和粒子，但它们在我们生活的宇宙中是结合在一起的。我们无法在理论上使它们达成一致，对吧？

是的。因此，你通常可以使用一个理论而忽略另一个理论。因此，你可以专注于量子物质而忽略引力，或者你可以专注于引力和时空现象而忽略量子物质。在少数情况下，你需要同时了解量子物质特性和时空，而我们真的不知道该怎么做。

那么，从时间的开始，从大爆炸开始，是否有帮助？这是一个很好的起点。因为，你知道，如果我们使用广义相对论，我们将宇宙倒放，就像电影一样。现在，我们知道宇宙正在膨胀，所以我们倒放。它以某种方式收缩，物质的密度越来越高。我们从广义相对论中知道，这应该会影响时空。它应该使时空弯曲得越来越多。朝向那个一切都在收缩的地方。没错，没错。

因此，最终我们到达了一个点，我们不能只关注物质或时空。我们真的需要两者兼顾。而理论有点故障，无法告诉我们发生了什么。类似的事情发生在黑洞深处，物理学家们非常想知道这两种未知的前沿发生了什么。黑洞和宇宙的开端。没错。

当你说故障时，是什么意思？好的，我说故障，我的意思是数学框架会给你无限的答案。这听起来可能很神秘，但实际上并没有那么奇特。好的。所以，你知道，先把时空和黑洞放在一边，想想水滴。让我们去你的厨房水槽，观察水滴从你的水槽落下。我们可能会使用流体力学来描述水。流体力学将水视为一种光滑、连续的东西。

现在我可能会问你，水滴的颈部在落下时会变得多么细？它越来越细，最终完全断裂。我们可能会倾向于得出结论，水滴在断裂前的瞬间会变得无限细。但这是不对的。

它变得像一分子水一样细，但它不是无限细的。但是现在我们已经从流体力学跳到了一个全新的描述。我们现在已经跳到了水的分子描述。这就解决了奇点问题。这向我们表明，分子从未达到无限细的时刻。但是流体力学做到了。这就是奇点。

你使用了奇点这个词。这就是故障。是的。这就是宇宙的开始或黑洞中，本来应该现实且易于理解的东西实际上崩溃并趋于无限的时刻，至少在理论上是这样。我们的想法是，在我们生活的真实宇宙中，如果某些东西趋于无限……

这向我们表明，我们对它的理解中存在问题。是的。我们永远无法测量无限大、无限小、无限致密、无限薄的东西。这是数学发出的信息，表明我们的框架正在崩溃，我们需要一个新的框架，一个更现实的框架来给我们这些答案。所以奇点。这是一个术语……

人们可能从电影或对黑洞的基本理解中熟悉它。在这种情况下，我们如何定义奇点？这是追随罗杰·彭罗斯的脚步，我们稍后可能会谈到他。但我们认为奇点实际上是一个我们无法看到其后面的点。因此，如果我们回到倒放宇宙，就会出现大爆炸，而我们无法看到那一刻之后的情况。

黑洞，一个人掉进去，他们撞到奇点，我们不知道接下来会发生什么。

而且，你知道，人们有时甚至会谈论技术奇点，如果我们喜欢那种事情的话，我们都将把大脑上传到云端。这在精神上是效仿这个的。这是社会中的一次戏剧性转变，我们真的无法看到接下来会发生什么。所以我认为这就是口语定义。是的。但在我们的语境中，我们基本上将其描述为故障。是的。所以如果我们有不同的理论框架……

解决了奇点并防止它们发生，这表明我们更接近量子引力理论，一个调和这两个理论的理论。没错。无论我们有什么理论，都应该给我们所有允许我们提出的问题的答案。好的。

我想把这种思路追溯到它的起源。如果我们正在考虑奇点，它在物理学研究中第一次出现是什么时候？第一个写下包含奇点的广义相对论解的人是卡尔·史瓦西，尽管他当时不会使用这些词。他在第一次世界大战期间实际上是一名在俄国前线作战的德国士兵，当时他发现了这一点。

爱因斯坦刚刚发表了他的场方程，描述了时空如何对物质做出反应。然而，物理学家花了数十年的时间才弄清楚该解的所有结论。但是，你知道，他们发现它有一些非常奇怪的特征。它有一个无法返回的点，一个围绕该点的球形边界，如果你掉进去，你就无法出来。它还有一个奇点，一个点，当你越来越靠近它时，某些量（例如时空的曲率）似乎变得无限大。

所以这没有多大意义。这就是黑洞的第一个概念，尽管我认为这个术语还没有出现。是的，他是写下这个解的人，人们开始意识到，伙计，这有一些非常奇怪的特性。是的。感觉就像我们浏览你写关于这篇文章的故事时，20世纪许多杰出的物理学家，他们的名字都出现了。像彭罗斯、奥本海默这样的人，他们都对我们的理论崩溃的地方有所贡献。是的，我的意思是，它确实抓住了人们的想象力。我认为有一段时间，物理学家们觉得这在现实中可能是不可能的。这有点太极端了，难以理解。因此，罗伯特·奥本海默与这个人哈特兰·斯奈德合作，看看自然是否真的会这样做。因为也许它在方程中，但我们不知道这是否是一件真实的事情。

他们取了一个球形物质壳，并说，如果它坍缩会发生什么？再次保持其完美的球形性质。在数学上，理论上，他们遵循会发生什么。是的。如果它是完美的圆圈，完美的球体坍缩，没有任何凸起或摆动或任何东西。并发现，是的，事实上，它确实变得足够致密并缩小到一个点，从而像史瓦西一样影响时空。对。

计算过。他们也遇到了奇点。所以是的，他们提出了这样的可能性，即我们宇宙中的恒星和空间实际上可能会这样做。好的。但即使那样，人们也没有信服。

人们说，他们有一个疯狂的假设，即恒星必须是完美的球形。恒星相当圆，但它们并不完美地圆。对。这就是彭罗斯的用武之地。他真的结束了这种思路，并说，我们将提出两个简单的假设。我们将假设能量应该是正的，这是一个相当合理的假设。是的。这意味着引力是有吸引力的，光线应该相互弯曲。

他的第二个假设是，我们只需要有一个时空形状，它有一个叫做俘获面的表面。好的。而俘获面具有这样的特征，即在任何一点上发射出的光线

都会落入该表面。它有点像事件视界，不完全一样，但感觉相同。所以类似于黑洞的东西。是的。因此，他证明了，在这三个优雅、优美的数学页面中，这篇真正令人难以置信的论文中，这两个假设必须有一个时空的终点。

因此，你知道，这里的关键特征是这个俘获面可以是凹凸不平的，可以是畸形的。他摆脱了奥本海默和斯奈德所需要的球形假设。这真正突出了黑洞奇点应该存在于我们宇宙中的观点。彭罗斯因此在2020年获得了诺贝尔奖。现在，物理学家们已经发表了许多较新的论文，这些论文正在

试图沿着史瓦西到奥本海默和斯奈德到彭罗斯的思路，更进一步，通过添加一些量子思想，坦白地说，量子怪异性，将这些怪异性添加到模型中，看看他们是否能让无限故障消失。

是的，这是正确的。这些非常紧密地遵循彭罗斯的脚步。我认为这就像一个三部曲定理，一个三部曲证明。彭罗斯的是完全经典的，然后每一个都会添加一点点量子性，看看会发生什么。最早研究这个问题的人之一是当时马里兰大学的一名研究员亚伦·沃尔，这大约是在2010年左右。

所以他是在彭罗斯定理的基础上建立的。同样，我们有两个假设，对吧？能量是正的，俘获面。现在，每个人都知道第一个假设并不完全正确。所以量子力学，就像你说的，很奇怪。能量并不总是正的。它并不总是正的。好的。但这实际上是在量子力学正常怪异的领域。这是会发生的事情。

你可能会想知道这是否会使彭罗斯的证明无效，然后你可以消除奇点。他证明情况并非如此。因此，他找到了一个更强的假设，那就是黑洞遵守热力学定律。特别是，它们具有称为熵的特性，它非常宽松地描述了系统的混乱程度。因此，黑洞及其周围环境应该具有熵的特性，并且应该随着时间的推移而增加。这在我们所知道的宇宙中几乎每个系统都是正确的。

因此，在Wahl提出的添加了一些量子性的模型中，一组新的假设，在这个模型中，奇点仍在发生。是的，这是正确的。所以添加一点量子并没有解决故障。是的，这是一件大事，对吧？这是一种概念证明……

故障可以承受与量子的一些接触。你几乎可以把它想象成在时空上涂抹一层无限薄的量子物质。它非常小，你甚至无法检测到它的存在。但是我们这样做，这样的宇宙仍然存在奇点。

你提到了三部曲定理。第一个是彭罗斯，然后是沃尔的。是的。所以黑洞所做的一件事是它们会蒸发。它们会发出辐射。我们从观测中知道，黑洞正在发出辐射。

你无法观察到它，但它在理论上得到了很好的证实。这使得斯蒂芬·霍金在70年代成名。他计算了黑洞的温度，以及它发出的辐射。所以这非常确定这是黑洞的一个特性。因此，沃尔的假设让黑洞做到这一点。它让它辐射。所以在彭罗斯的宇宙中，它不会辐射。在沃尔的宇宙中，它会辐射。但辐射实际上并没有缩小黑洞，因为时空无法

无法感受到物质的这种无限温和的量子效应。好的？所以这是一个朝着我们宇宙迈进的步骤，但它还不够。在我们宇宙中，我们预计黑洞确实会蒸发，最终缩小到虚无，但这需要数万亿、数万亿年。在沃尔的宇宙中，这将需要无限的时间。好的。无限的时间有点像数万亿、数万亿年，所以这是一个很好的模型，但它不是一个完美的模型。

三部曲中的第三篇论文是什么？Raphael Bousseau，最近在加州大学伯克利分校，他使用沃尔和自己以及其他人过去十年开发的一些升级的数学工具重新审视了沃尔的证明。因此，他证明了在一个黑洞在有限时间内蒸发的宇宙中，数万亿年，是的，奇点仍然存在。

这就像一个比以前有更多量子物质的宇宙。它仍然像一种非常稀薄的气体，但它不再是无限稀薄的。它是有限稀薄的。你就是无法摆脱它们。好的。所以我们已经向宇宙添加了几层量子性。

到我们的模型中，奇点仍然会发生故障。是的。希望是，开发一个奇点不再发生的模型将指向量子引力理论的方向。但我们还没有到达那里，因为奇点一直在发生。模型一直在发生故障。

而且我们仍然没有量子引力理论，需要明确这一点。是的。对吧？所以Broussel最近的工作中的那个大星号是，时空仍然是经典的。它可以感受到量子粒子，并对量子粒子做出反应，但它仍然始终具有一个固定的配置。因此，仍然希望有一天，如果你让时空真正成为量子，那么我们所有的问题都将得到解答。这是否也增加了奇点可能性的可能性……

不仅仅是数学故障，而是在黑洞中心或宇宙开始时，时空本身，不仅仅是数学，而是时空本身发生故障，存在奇点，一个实际存在的奇点。这可能吗？

我会说，这是像Bousseau和Jeff Pennington（加州伯克利分校的量子引力研究员）以及我交谈的其他一些人的理论家群体中的一种思维趋势。而且，你知道，这很棘手，对吧？因为这些证明都依赖于热力学第二定律，在黑洞的情况下，它依赖于黑洞的面积。面积给你熵，它应该增加。好的。

他们预计，如果你让一切变得非常量子化和非常叠加，那么整个思路就会崩溃，因为如果你时空在这里、那里和到处都是，那么面积是什么？如果我们试图以量子力学使我们想到电子的相同模糊方式来思考时空，那么面积的概念就会崩溃。

是的，所以我想明确一点。这是推测性的。这没有得到证实。这是一个氛围级别的论点。好的。我们处于氛围的领域。这很好。好的，但这是完全正确的。因此，热力学第二定律、熵，所有这些都在一个完全量子的宇宙中崩溃，在这个宇宙中，物质和时空可以以量子方式充分相互作用。

在这种情况下，当你谈论时间时，你到底在谈论什么？当你谈论空间时，你到底在谈论什么？所以当你到达黑洞中心时，当一切都在崩溃时，对吧，说时钟滴答作响可能不再有意义。可能没有第二个时钟。

在你接近奇点的第二秒之后。那可能是最后时刻。所以这很可能是一个空间和时间的终结，有点像彭罗斯在他的原始证明的精神中所认识到的那样。如果奇点是真实的，并且存在一个空间和时间结束的地方，那意味着什么？

这是一个价值百万美元的问题，我们基本上不知道。但关于这可能如何运作的一个常见猜测是，时空的终结可能更像是一个特性而不是一个错误。

我们今天一直在这两个时空定义之间跳跃，无限的答案，这就是故障，以及时空的终结，就像彭罗斯定义的那样。现在，这些不一定是同一件事。如果认真对待时空的终结是一种解决无限答案故障的方法呢？我的意思是，如果你没有时空，那么你也没有时空的无限曲率。

它就像水滴一样。它是一个无限细的颈部。这是一个迹象，表明我们需要改变我们的语言，开始谈论一小撮分子而不是连续的流体。

当我们谈论分子时，我们不应该考虑薄度。我们应该考虑分子之间的距离或分子的数量。这些是更好的问题，它们有更有意义的答案。因此，如果时空以某种真实的方式崩溃，那么这可能意味着一些新的东西，也许是非常量子的东西，取而代之。然后我们需要一种全新的语言来谈论这件事。但无论我们使用什么语言，它都应该是无故障的。我们的问题将有有限的答案。

我们希望到达一个所有关于现实、宇宙和一切的问题都有答案的地方。但是现在，由于奇点和故障，我们有一个奇怪的地方，那里没有答案。这意味着我们必须提出不同的问题。没错。

如果你想了解更多关于这个主题的信息并更深入地探索它，你可以查看Charlie在quantummagazine.org上的文章“时空奇点难以消除”。再次感谢，Charlie。谢谢，Samir。我们喜欢询问我们所有的客人一个推荐，本周让你兴奋的事情。你对什么感兴趣？

我一直在读康奈尔大学物理学家David Merman写的一本很棒的书，叫做《为什么夸克与猪肉押韵》。所以撇开奇点和时空不谈，这一切都是，他是一个量子人，也是一个凝聚态物理学家。这是他90年代和2000年代为《今日物理学》撰写的非常令人愉快的专栏文章的合集。在一篇专栏文章中，他创造了著名的短语“闭嘴并计算”，这是一种现在著名的描述量子力学哲学的方式。它比任何物理学书籍都更有意思。

所以本周在quantummagazine.org上，也有很多与量子相关的文章，包括一种新的量子计算方法，这是一种理想上基于我们刚才讨论的一些量子力学概念的计算世界。还有一篇物理学文章是关于使用几何来更好地理解量子材料的。所以除了Charlie在quantummagazine.org上的文章外，你还应该看看这些文章。

今天我们将用一个实际黑洞的实际声音来结束。好吧，差不多。这是来自英仙座星系团中心黑洞的数据的声化，该星系团距离我们2.4亿光年。黑洞在周围的气体中引起涟漪，科学家们在20多年前用钱德拉X射线天文台探测到了这些涟漪。

这种特殊的声音已被调整到人类听力范围，这意味着它被提高了大约57个八度。所以享受英仙座星系团的声音吧。Quanta播客是Quanta杂志的播客，Quanta杂志是一个由西蒙斯基金会支持的编辑独立出版物。我是Quanta的主编Samir Patel。

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来自Quanta杂志，Simon France和我本人在Matt Karlstrom、Samuel Velasco、Simone Barr和Michael Kenyongolo的支持下提供编辑指导。我们的主题音乐来自APM Music。如果你有任何问题或意见，请发送电子邮件至[email protected]。感谢收听。来自PR。