有沒有存在于黑洞之外的裸奇點？它會破壞宇宙的因果定律嗎？來自物理學研究的最新見解正在顛覆我們對奇點的傳統認知。
當研究引力的視角從經典切換到量子，科學家發現，黑洞或許是宇宙中密度最大的硬盤，而量子計算機理論上可以創造出一個“黑洞”。如果能看到裸奇點，科學家或許就有辦法獲得量子引力的觀測證據，從而深入了解黑洞和量子引力的本質。
■寒潮/編譯
在黑洞深處，空間的扭曲達到了令人難以理解的程度。在某個無限小的點上，密度達到無窮大，以至于用來描述質量如何彎曲時空的愛因斯坦廣義相對論也不再適用——它就是奇點。在這里，人類既有的知識體系土崩瓦解。
盡管奇點令人望而生畏，但它們至少都安全地藏在黑洞的事件視界內，無法被人類觀察到。所謂事件視界，是一種時空的曲隔界限。視界中任何的事件都無法對視界外的觀察者產生影響。黑洞周圍就是事件視界，即連光都無法逃脫的邊界。
可是，如果奇點確實能夠存在于黑洞之外呢？近年來，由于陸續有研究者證明廣義相對論允許奇點存在于黑洞之外，這促使理論物理學家們結合關于引力的量子基礎的最新研究和見解，從更深層面來研究奇點。美國麻省理工學院的內塔·恩格爾哈特表示，這些新見解“顛覆了我們對奇點的傳統思維方式”。
盡管很多問題懸而待決，恩格爾哈特和她的同事們已經開始破譯量子領域與經典引力之間的神秘聯系，并強調了一個革命性的觀點，即后者就像全息投影一樣從前者中產生。
繞不過的裸奇點
或推翻宇宙監督假說
“奇點是什么？這是一個令人生畏的問題。”參與哈佛大學黑洞計劃的埃維塔·韋黑伊登說，“我們不知道它們是什么，我們根本不知道該如何描述它們”。
1915年，廣義相對論發表后不久，物理學家們就開始尋找其方程的解。根據這些方程，一個密度極高的物質球會極大程度地扭曲時空，使其向一個密度和曲率都無限大的點墜落——這就是一直困擾著廣義相對論的奇點。
起初，許多宇宙學家都希望奇點只不過是理論上的虛構，但他們沒能如愿。1965年，著名宇宙學家羅杰·彭羅斯證明，奇點實際上是廣義相對論不可避免的結果，每當物質坍縮形成黑洞時，奇點就會出現。彭羅斯也因此獲得了諾貝爾物理學獎。
1969年，彭羅斯提出，奇點總是隱藏在事件視界后，事件視界是黑洞的外緣，在那里引力變得無比強大，任何事物，甚至是光都無法逃脫。這就是“宇宙監督假說”，它認為自然禁止任何可見或“裸露在外”的奇點。
物理學家們有充分的理由相信這一點，尤其是因為“裸奇點”的存在會打破傳統的宇宙觀，即物理定律可以預測宇宙中會發生什么。美國田納西州納什維爾范德比爾特大學的黑洞專家亞歷克斯·盧普薩斯卡說：“只要你在黑洞之外，決定論就沒有問題。無論有什么壞事，都發生在視界內。”
印度艾哈邁達巴德大學的宇宙學家潘卡杰·喬希卻表示，裸奇點不應被這樣“一筆帶過”。這則未經證實的假說，可能是防止廣義相對論失去預測能力的唯一因素。
近年來，理論物理學家們已經證明，裸奇點確實可以作為廣義相對論和相關引力理論的結果出現。例如，一些研究人員預測存在不穩定的“黑弦”，其性質類似于黑洞，可以拉伸和掐斷，留下裸奇點。還有人認為，當黑洞發生碰撞或因緩慢釋放輻射而完全蒸發時，也可能出現裸奇點。
根據其中一些說法，裸奇點只會出現在空間維度超過三維的假想宇宙中，或者出現在時空曲率與我們不同的宇宙中。韋黑伊登認為，這些結果仍會對我們的宇宙有影響，因此，這些裸奇點可以被認為是目前所知的宇宙監督假說不成立的標志。
密碼監督論
從量子到經典的轉譯
當我們仰望夜空時，為何看不到任何裸奇點？恩格爾哈特說：“據我們所知，黑洞存在而裸奇點不存在，這需要某種解釋。”
為了找出答案，2023年，恩格爾哈特、韋黑伊登與麻省理工學院的麗莎·楊、奧斯蒙德·福克斯塔德和亞當·萊文，開始從一個全新的角度來研究宇宙監督假說。美國加州大學圣巴巴拉分校的加里·霍洛維茨表示，他們去年的研究成果向量子版本的宇宙監督論邁出了第一步，“這是一個重大進展”。
恩格爾哈特和她的團隊沒有在經典時空理論中尋找裸奇點，而是在量子引力的假設框架內研究了奇點和事件視界的性質。量子引力旨在將廣義相對論和量子力學這兩大現代物理學支柱統一起來。恩格爾哈特表示，他們的目標是找到一種能夠確保形成（事件）視界的條件。
具體來說，他們使用了一種名為“全息術”的量子引力方法。其原理是，根據量子理論的描述，高維時空從低維中產生，方式大致接近從平面投射出全息圖。高維和低維這兩種對現實的描述是對應的，你可以設想自己用一本“經典-量子互譯詞典”（專業稱謂是AdS/CFT對偶），在這兩種描述之間進行轉譯。AdS是“主體”時空，CFT是時空的量子表面，亦稱“邊界”。
麗莎·楊說，研究人員在描述這兩個領域的語言之間來回轉換，就是想看看主體時空的奇點在CFT中是否有特征，例如黑洞如何出現在CFT中。
恩格爾哈特表示，至少對于量子引力理論家來說，傳統觀點認為，黑洞在CFT中的表現是“最大程度的混沌”。這意味著系統對其初始條件非常敏感，哪怕微小變化都會導致截然不同的結果。他們由此發現，CFT中一個與之密切相關的概念“偽隨機性”也與主體時空中事件視界的存在相關。盧普薩斯卡說：“你可以用它來診斷黑洞的形成。”
他們把偽隨機性和事件視界之間的這種新聯系稱為“密碼監督”，因為它利用了量子信息和密碼學領域中日益豐富的一組工具來解決基礎物理學中的問題。這些聯系會產生一個奇怪的后果：如果你以足夠的隨機性對一臺量子計算機進行編程，那么它本身就有可能變成一個黑洞。
編程創造“黑洞”
量子計算機或會坍縮
從表面上看，利用量子物理學處理信息的量子計算機與黑洞沒有什么關系。但近年來，物理學家發現了一些蛛絲馬跡：旨在提高量子計算機魯棒性的算法（即糾錯碼）與宇宙的基本結構之間存在著深刻的聯系。
根據“全息術”的原理，時空出現于一個受量子力學支配的平面，就像全息圖一樣。當研究人員更仔細地研究這個模型時，他們的計算結果表明，時空出現的機理似乎很像量子糾錯碼。
這就引出了一個瘋狂的問題：如果你將黑洞的量子描述編程到量子計算機中，那么在量子計算機附近是否真的會出現相應的時空？也就是說，你是否會在這個過程中創造出一個真正的黑洞？盧普薩斯卡說，“我們還沒開始嚴肅探討這些含義，也許是時候認真對待這個問題了”。
今年早些時候，恩格爾哈特和她的合作者提出，只要有足夠的偽隨機性，就會形成黑洞的事件視界。目前，我們還沒有足夠強大的量子計算機，無法用足夠的偽隨機性對其進行編程，從而產生黑洞。但是，恩格爾哈特說，原則上沒有什么阻礙。
如果考慮到將偽隨機性編程到計算機中就相當于進行非常復雜的計算，需要大量的信息，那么量子計算機能夠創造黑洞的想法就更容易理解了。麗莎·楊說，“這涉及大量的量子比特，涉及小空間內的大質量。因此，根據定義，它必須坍縮成一個黑洞。”
盧普薩斯卡說，“這是否意味著你通過這種非常復雜的計算創造了一個黑洞？我認為答案是肯定的。”他把黑洞形容為“宇宙中密度最大的硬盤”。
當然，一旦量子計算機坍縮成黑洞，就無法再訪問了。“除非你自己就在量子計算機里，”韋黑伊登說，“但那時你也在黑洞里”。
大型裸奇點
量子引力時空高度可預測
在此基礎上，研究小組制定了量子版本的“宇宙監督論”，這在一定程度上解釋了為什么我們看不到裸奇點。
研究人員認為，CFT中時空奇點的特征就是這種隨機性。這意味著，任何撞擊奇點的傳入物質或場都會被反射，從而使奇點看起來是隨機的，因為撞擊實際上擾亂了奇點的外觀。韋黑伊登表示，他們推測出了“量子宇宙監督論”，即在量子引力中，經典裸奇點不應該存在。
需要明確的是，在CFT的隨機性不足以產生事件視界的情況下，“密碼監督論”允許存在非常小的裸奇點，比如黑洞蒸發時留下的奇點。只是它們太小了，無法干擾到決定論。
恩格爾哈特說，無論如何，這項研究顛覆了人們對大型裸奇點的看法。從廣義相對論的角度來看，裸奇點是讓時空和可預測性崩潰的點。但在量子引力中，大型裸奇點將處于“高度可預測的時空”中。
這是因為事件視界是隨機性的結果。所以假設你要移除事件視界，以便露出裸奇點，那么隨機性也會隨之消失。換句話說，大型裸奇點即使存在，也不會像我們假設的那樣充滿隨機性和不可預測性。
盡管如此，量子版本的宇宙監督論也并不能無懈可擊地證明宇宙中沒有潛伏著裸奇點。首先，“經典-量子互譯詞典”所描述的時空曲率與我們所處宇宙的時空曲率并不相同。量子引力理論學家們以此為切入點，是因為這可以讓他們完成原本難以完成的物理學任務。它可能與量子引力在我們這個宇宙中的具體運行原理有關，但也可能無關。盧普薩斯卡認為這是一個開放性問題。
未參與這項研究的麻省理工學院丹尼爾·哈洛說：“他們展示的成果帶有宇宙監督論的意味。這更像是宇宙監督的一個結果，如果你能證明其中的一個結果，那么你就可以把它看作宇宙監督論也成立的證據。”
根據密碼監督論，裸奇點總是被事件視界所掩蓋，從而確保黑洞是比裸奇點更為常見的狀態。哈洛說：“如果這點不成立，我們用‘經典-量子互譯詞典’搭建的紙牌屋就會轟然倒塌。”
此外，研究小組還希望更全面地掌握這本“全息詞典”將量子世界轉譯為經典引力的復雜方式。這項工作很困難，拖累了研究進度。恩格爾哈特說：“這部分研究受到了很多阻礙，因為事件視界背后的事物非常神秘，而且我們無法將視界的影響與奇點的影響區分開。”
目前，宇宙監督論仍未得到證實。但真正引起理論家們興趣的是，通過深入思考這一猜想，我們能了解到黑洞和量子引力的本質。即使這個猜想看起來越來越靠譜，不少宇宙學家仍希望宇宙監督論不是真的。霍洛維茨說：“如果能看到裸奇點，我們會很高興，因為那樣的話，我們實際上就有辦法獲得量子引力的觀測證據。”
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