黑洞曲率极大,光一旦进入黑洞都无法逃脱,这预示着一切力的载体粒子,都无法进行力的传递,一切结构都会分崩离析,奇点必然存在!
图:黑洞曲率
固定的空间,物质质量越大,引力就越强。根据爱因斯坦的广义相对论,一个物体能否维持其宏观的三维状态,取决于是否达到物质的密度的极限。一旦超过这个极限就会形成黑洞,从而创造一个任何物质都无法逃离的区域,即视界。奇点存在与否关键在于超密度物质能都在视界内稳定存在,是否有足够的能力来抵抗引力坍缩?按照目前人类所知的物理定律,这种物质,或者说这种能力是不存在的。
图:中子星
当大质量恒星发生超新星爆炸时,或许会形成黑洞(如果它们位于临界阈值以上),但更常见的情况是核心坍塌成中子星。中子星宇宙中排行老二,是不包含奇点的情况下密度最大的物质。顾名思义,它由大量中子紧紧相挨,已经不具备原子的结构。整个中子星基本上可以看作是一个只包含中子的巨大原子核,如果中子星质量和太阳相同,那它的半径只有几公里。
图:原子-原子核-中子(质子)-夸克
如果一颗中子星超过了中子星密度的极限,它可能会变成更致密的物体—夸克星(目前尚未发现)。中子是由三味夸克和胶子构成的稳定性结构,随着质量进一步增大,组成中子的三味夸克稳定结构将会崩塌。
图:中子星,夸克星,都是由费米子(夸克)构成的。
根据泡利不相容原理,简并压力是保持恒星不受引力坍缩的影响的力。一颗中子星的形成经历了核心聚变燃料用尽,电子简并压力投降,电子被压入原子核内与带正电的质子结合形成中子,对抗引力的任务由中子简并压继承。
图:粒子物理标准模型
可见稠密的物体还能存在物质是因为由内而外的对抗力,让核心顶住了引力坍缩。对于像地球这样的低密度物体,电磁力就足够了。在没有受到足够压力时,根据泡利不相容原理的量子规则,任何两个相同的费米子(比如电子)无法占据相同的量子态。因此,地球上的我们可以安心地享受稳定的原子结构。享受同样待遇的还有白矮星,以及比白矮星密度低的物质。
图:一颗白矮星(左)、地球(中)和一颗黑矮星(右)。
虽然白矮星因为低压情况下可燃的燃料耗尽,但内部电子间的简并压可以防止它进一步坍缩,使得形成物质可以继续保持原子结构,因此它们的体积足够大,密度也较小。
图:电子简并压
如果我们让一颗白矮星继续增加质量,那么电子简并压就会崩盘,从而形成中子星。虽然中子星没有原子结构,但是中子可以扮演之前费米子(电子)的角色,从而利用量子态来帮助它们抵抗引力坍缩。除此之外,夸克星中,更小的尺度的下,单个夸克作为费米子,也扮演着同样的角色,胶子在无序紧密的夸克间传递着力的作用,同样是遵守没有两个相同的量子粒子(电子、夸克等费米子)可以占据相同的量子态的规则。
图:质子或中子内部的强力(强核力,强相互作用)是胶子以光速在夸克之间进行相互作用。
因此,可以发现力,或者说粒子间的相互作用是防止物质坍缩成奇点的关键。而无论强力、弱力、电磁力都来源于玻色子(如光子、胶子等)在物体内部的各种费米子(电子、夸克)之间进行相互作用,玻色子是无静态质量的粒子,它们都以光速恒定运动,这就是黑洞会形成奇点的BUG所在因素。
图:在黑洞的视界内,光子会沿着测地线行进,从而不可避免地走向黑洞中心的奇点
如果内部粒子想要对外部粒子施加一个向外的力来实现一个相互作用,那么承载力的粒子需要沿着向外的路径运动。当时空密度低于产生黑洞的阈值时,这并没有什么问题,粒子可以向外正常运行,从而向外进行力的传递。但如果所处的时空跨过黑洞门槛,在视界内,由于引力非常强,即使没有质量粒子以光速移动也无法逃脱。
图:在黑洞周围的视界内的物质,不管如何行进,都会发现行进方向都指向奇点。
当物质进入视界,引力将会一切物体粒子向内拉,传递力的粒子也不能向外有序移动。视界内的物质的任何力都将失效。
图:视界内的所有物质都会缩成一维的奇点,至多是一维的
当光速也失效了,那么物质将失去电磁力、强力、弱力,再也无法维持稳定的三维结构。如果有粒子可以超光速,或许物质还可以维持一定的结构形态,但到目前为止,科学家尚未发现类似的粒子,在相对论中,这种情况也是不存在的。
图:黑洞奇点艺术图
科学家能给出的奇点之外的可能是最多就是由于黑洞内高速旋转的角动量,从而使物质被碾碎后形成一个由大量一维奇点组成的环状物,仍然无法形成三维结构。
综上所述,无论是有质量还是无质量的物质,只要遵守我们目前所知的物理规则,形成奇点是必然的。只要进入黑洞,一切都将被碾压成为一个致密的、一维的点——奇点。