如何才能解開黑洞奇點之謎？

來自專欄長尾說相對論38 人贊了文章

最近一段時間實在是太忙了，都沒空寫文章。現在再回過頭去看自己之前的那些文章，發現最火的文章居然是《使用低速航天的辦法能離開黑洞么？》這篇，而且比其他文章的熱度高了不止一個數量級（下面的截圖為我的知乎專欄《長尾說相對論》里的文章截圖，光贊都收穫了775個）。

然後我就回去翻了一下這篇文章，翻來翻去還是沒搞明白為什麼大家這麼喜歡這篇。不論是從思想的深度、邏輯的縝密還是從內容的啟發性來看，明明都還有很多比它寫得更好的文章，難道僅僅是因為這是一篇講黑洞的文章？

黑洞奇點

黑洞是廣義相對論預言的產物，但有意思的是：這個廣義相對論自己預言的東西，卻會產生一個自己都無法解釋的東西——奇點。

廣義相對論雖然石破天驚的把引力解釋為時空曲率，認為時空是彎曲的，但是它眼裡的時空本質上還是平滑的。但是，時空真的都是平滑的么？

當然，在宏觀尺度上這是沒問題的，在微觀尺度上就不行了。在量子尺度上，我們看到的時空不再是平滑的，而是存在著劇烈的真空漲落，整個時空就像一塊泡沫一樣。這種漲落的時空跟廣義相對論的平滑時空出現了根本性的不一致，所以廣義相對論在這個尺度上會失效也是正常的。

然後，我們再來回顧一下廣義相對論描繪的恆星死亡產生黑洞的過程：當一個大質量恆星燃燒完自己的燃料之後，在引力的作用下它必然要坍縮。如果滿足一定的條件，這個恆星可以坍縮成一個黑洞，然後不可避免的產生一個「密度無限大、體積無限小」的奇點。

按照廣義相對論，恆星坍縮最後會產生一個體積無限小的奇點。但是，還沒有到無限小的時候，在那個真空漲落非常明顯的量子尺度，時空已經不是平滑的了，那麼又如何能夠繼續按照相對論的方式繼續往下演化呢？所以，我們強行用相對論描述黑洞的全過程，最終導致了這個讓物理定律都失效（曲率、密度、體積都是無限，物理定律怎麼處理無限的東西？）奇點，這樣想起來也似乎是理所當然的。

量子引力

與此同時，按照上面的分析，我們似乎也能很清晰的感覺到：當恆星坍縮的到量子尺度的時候，當平滑度時空開始變成劇烈的漲落時空的時候，相對論就應該不再適用了。取而代之的應該是一種量子化的引力理論，而這種新的量子引力應該會阻止黑洞坍縮到無限小這種沒有物理意義的狀態。如果真的找到了這種量子引力理論，我們就應該能揭開黑洞的秘密，揭開奇點的秘密，甚至揭開宇大爆炸的秘密。

物理學家們在這一點上倒是達成了一致，但是沒人知道這種正確的量子引力理論會是什麼樣子的。100年前，人類剛剛叩開了原子世界的大門，一大波新的觀察發現推動了量子力學的大發展，從某種意義上來說，說那時候的量子力學是實驗推動的也未嘗不可：一大波年輕的天才物理學家為了解釋原子世界內部種種無法理解的現象，充分發揮自己的想像力，大膽的提出了各種量子化的想法，逐步構建了完整的量子力學。

但是這一套放在現在顯然已經不適用了，我們現在遇到的問題不是某個現象用現有理論無法解釋（目前能夠觀測到的各種現象，還沒有任何現象用相對論和量子力學無法解釋的）。就在一個月前，一個國際天文學家團隊7月26日宣布，他們利用大型地面望遠鏡對銀河系中心進行觀測，第一次證實超大黑洞附近的引力場效應與廣義相對論百餘年前的預測「完美符合」。一百年來，廣義相對論抗住了各種嚴苛條件下的實驗測試，這次在超大黑洞的極強引力場下還依然保持正確，看起來，試圖從無法解釋的現象入手來修正理論的道路，短期內是走不通了。跟許多民科試圖通過否認一兩個實驗來否認相對論不一樣，科學家們對待一個理論的態度的極其嚴謹的，他們會選擇各種極端嚴苛是實驗來驗證你的理論，所以，相對論一直到現在還在接受各種實驗的檢驗。

有人說你剛剛不是才提到奇點無法解釋么？奇點是無法解釋，但是這不是我們觀測到的現象，任何信息都無法從視界里逃出來，那麼被包裹在視界內部的奇點就更加無法觀測到了，我們只能通過物理定律來分析研究它。也就是說我們現在所了解的關於奇點的一切信息，都是通過物理定律推算出來的。

所以，想要找到正確的量子引力理論，靠實驗來糾錯是靠不住了。而在微觀層面，量子力學和廣義相對論的矛盾衝突又是如此的明顯，那麼，問題到底出在哪裡？

這種情況是不是有點似曾相識？

愛因斯坦的科學精神

19世紀，牛頓力學和麥克斯韋電磁學發生了根本的衝突，凡是試圖通過湊實驗現象來構造新理論的做法最後都失敗了，愛因斯坦早期也這樣做過，結果是「什麼都沒得到」，碰了滿頭包。在這樣的情況下，愛因斯坦痛定思痛，決定徹底放棄這一條道路，於是他去重新思考時間空間這些最基本的物理概念，從哲學的高度猜測上帝這個老頭子的行為，從牛頓力學和麥克斯韋電磁學的根本矛盾慢慢出發，這才最終發現了狹義相對論，也最終解決了這兩個體系之間的矛盾。

在愛因斯坦眼裡，實驗不是新理論的出發點，而僅僅是用來驗證理論一個證據。

再看看現在，量子力學和廣義相對論之間的矛盾跟牛頓力學和麥克斯韋電磁學之間的矛盾何其相似，它們都在各自的領域完全有效，但是他們的世界觀卻完全不同，這種不同必然會在一個點被徹底引爆，比如光速和奇點。

所以，我們這種時候要更加沉下心來學習愛因斯坦，要重新回到時間、空間等最基本的物理概念上去，重新去思考量子力學和相對論最基本的問題和矛盾的焦點，重新從哲學角度思考上帝的行為。只有這樣，我們才有可能在現在發現更加深刻的量子引力理論，從而揭開黑洞奇點和大爆炸的秘密，進而加速文明的進程。否則，我們就只能慢慢等科技水平慢慢上去，最後通過實驗來倒逼理論，而這將是一個非常緩慢的過程。

我寫《相對論前傳》、《相對論正傳》，除了科普一下相對論的知識，更重要的是想研討一下愛因斯坦是如何協調牛頓力學和麥克斯韋電磁學的矛盾，是如何通過重新思考時間空間這些最基本的概念從而建立狹義相對論的，而這些東西對我們現在統一廣義相對論和量子力學應該很有幫助。

黑洞奇點是廣義相對論和量子力學的一個交匯點，既然大家對這個神奇的東西又這麼感興趣，接下來我可以跟大家聊一聊黑洞的事情~

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