黑洞是否存在分形几何特征?

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关于黑洞,科学家们脑洞大开,提出了各种各样潜在的、假想的黑洞:带电荷或不带电荷的黑洞,旋转或静止的黑洞,被物质包围的黑洞,或漂浮在太空中的黑洞。我们知道其中一些假设的黑洞肯定存在于我们的宇宙中,如被流入物质包围的旋转黑洞是一种相当普遍的存在。

黑洞是否存在分形几何特征? 日前,2020年诺贝尔物理奖授予三位黑洞研究者。奖项一半授予英国数学物理学家罗杰·彭罗斯,另一半授予德国天文学家莱因哈德·根泽尔和美国天文学家安德里亚·格兹;前者是因为“发现广义相对论预测了黑洞的形成”,后者则因为“发现银河系中心的超大质量黑洞”。黑洞研究获奖,除了证实美籍德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论外,还激发了人们进一步探索宇宙的奥秘。那么黑洞里面和外面长什么样?这是人们在探究时需要思考和了解的问题。

 爱因斯坦与黑洞 (图片源自网络)

关于黑洞,科学家们脑洞大开,提出了各种各样潜在的、假想的黑洞:带电荷或不带电荷的黑洞,旋转或静止的黑洞,被物质包围的黑洞,或漂浮在太空中的黑洞。我们知道其中一些假设的黑洞肯定存在于我们的宇宙中,如被流入物质包围的旋转黑洞是一种相当普遍的存在。对于理论上的黑洞,物理学家依然十分感兴趣,因为它们的数学结构反映了物理学中合乎逻辑的可能,它们身上的一些特点也有可能出现在现实黑洞身上。理论上的黑洞与现实中的自旋黑洞在数学结构上有很多相似之处。

带电荷黑洞理论认为,它们的表面覆盖着一层量子场的“迷雾” (haze)。这层“迷雾”在引力的作用下与黑洞表面(视界)交织在一起,同时又被黑洞的电斥力向外推。据美国“生命科学网”(LiveScience)报道,最近全球最大的预印本系统arXiv.org上的一篇论文认为,这层“迷雾”具有超导特性,可将其视为一种全息的超导体。带电荷黑洞的视界内部,有一个所谓的内视界,是一个充斥着强量子能的区域。而内视界里面是一个虫洞,理论上可以将宇宙中相隔遥远的两个区域连接起来。

带电荷黑洞的视界内部,有一个所谓的内视界,是一个充斥着强量子能的区域。而内视界里面是一个虫洞,理论上可以将宇宙中相隔遥远的两个区域连接起来。带电荷黑洞的视界和内视界在一定条件下是可穿越的。但在这种条件下,黑洞内部的虫洞会瓦解。由于这类黑洞表面的超导特性,我们在穿越其视界和内视界时,会经历空间的往复振荡,亦即所谓的“约瑟夫森振荡”。而由于虫洞已瓦解,当我们靠近黑洞中心时,还能看到一种难以描述的奇异景象。 黑洞内部的空间会在不同的方向上以不同的速度拉伸和畸变。这种畸变会在越来越小的尺度上一次又一次地被触发,无限循环,形成一个令人眼花缭乱的分形宇宙。这个分形宇宙的中心就是奇点,一个密度无限大的点,集中了黑洞从外部世界攫取的所有质量。奇点是已知物理学的终结者,一切定律和法则,在它那里都是无效的,因此也是不可描述的,就连它在现实世界中的投影是否有体积都是个谜。我们无从知晓黑洞的内部结构,但是借助数学,尤其是分形几何,我们却能窥知一二。

前不久,一个由美国、英国、意大利和奥地利科学家组成的国际研究团队发现:当黑洞“打嗝”时,就意味着有某个天体被黑洞“吞噬”,黑洞依靠吞噬落入其中物质“成长”;当黑洞“进食”大量物质时,就会有高速等离子喷流从黑洞边缘逃逸而出。科学家利用流体动力学和引力相关理论并通过超级计算机进行模拟后得出结论——“进食”正在成长过程中的黑洞,将会使其形成分形表面。有专家认为,这一重大发现将导致对天文学甚至物理学诸多不同领域的深刻认识。

根据爱因斯坦1915年提出的广义相对论,巨大的天体会扭曲环绕它们的时空,就像一个保龄球落入一片橡胶薄皮上,导致路经的天体,即使是光线,也得沿着曲线路径前行。当两个极度密集的天体,例如黑洞或者中子星,它们成对出现彼此环绕,它们之间的相互作用会在时空结构上产生扰动或者涟漪的波纹,也就是所谓的引力波。当两个黑洞或者中子星合并在一起时会产生最强大的引力波,而这种神秘的引力波往往表现出分形行为。美国科学家艾伦•亚当斯表示:“我们发现,如果向黑洞内部填充物质,黑洞表面会变得像液体。某些特定情况下,还会形成湍流。准确来讲,其实是视野本身变成了分形。”

 两个旋转黑洞产生的分形引力波(艺术想象图)

所谓分形,简单的讲就是指系统具有“自相似性”和“分数维度”。自然界中,具备分形几何特征的物体比比皆是,如银河系中的球状星团、连绵的山川、飘浮的云朵、叶子、花菜等等。分形的概念是由美籍法国数学家伯努瓦•曼德布罗特于1975年提出的。分形几何不仅在理论上,而且在实用上都具有重要意义和价值;它在许多领域都取得了丰硕成果,对科技发展乃至社会进步发挥了巨大作用。 “黑洞”一词命名者、美国物理学家约翰•惠勒曾经说过:今后谁不熟悉分形几何,谁就不能被称为科学上的文化人。中国科学家周海中曾经指出:分形几何不仅展示了数学之美,也揭示了世界的本质,从而改变了人们理解自然奥秘的方式;可以说分形几何是真正描述大自然的几何学,对它的研究也极大地拓展了人类的认知疆域。可见,分形几何有着极其重要的科学地位。

黑洞也许是我们宇宙中最奇怪、最不为人所知的物体。它们是否真的存在分形几何特征?这仍然是一个谜团。但我们相信,在科学家的不懈努力下,这一谜团最终会得以破解。

编译/章晖(工作单位:美国国家航空航天局埃姆斯研究中心)

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