Roy Kerr在1963年发现了一个描述旋转黑洞的解,这个解被称为Kerr解。Kerr解是广义相对论的一个重要成果,它不仅揭示了旋转黑洞的一些奇妙的性质,而且还与天文学的一些重大发现有关。Kerr解是我们探索黑洞奇点问题的一个重要工具,因为它可以帮助我们理解黑洞的结构和动力学。

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Kerr在最近发表了一篇论文,题目是《黑洞有奇点吗?》,在这篇论文中,他提出了一个大胆的观点,即黑洞并没有真正的奇点,而只是一些更密集的物质,比如中子星或类似的东西。

黑洞是什么?简单地说,黑洞是一种引力场极强的天体,它的引力如此强大,以至于连光都无法逃逸出来。黑洞的内部是什么样子的?我们是否能够探索黑洞的内部结构?这些问题一直困扰着物理学家,因为根据广义相对论,黑洞的内部可能存在奇点,即时空的奇异点,那里的度规或曲率张量无限大或不可微分,物理定律失效。

奇点是否真的存在?这是一个很重要的问题,因为如果存在,那么我们的物理理论就不完备,需要寻找更深层次的理论来解释奇点的本质。但是,如果不存在,那么我们的物理理论就更加牢固,可以用来描述黑洞的内部结构。那么,如何证明或证伪奇点的存在呢?这就是Kerr在这篇论文中要探讨的问题。

Kerr首先回顾了奇点定理的历史。奇点定理是由彭罗斯和霍金在上世纪60年代提出的,它们试图证明在一定条件下,黑洞的内部必然存在奇点。这些条件包括:

存在一个被视界包围的陷入面,即一个表面,使得从它上面发出的光线都向内收缩,无法逃逸到无穷远处。

物质满足弱能量条件,即物质的能量密度和压强都是非负的,而且能量密度大于等于压强的绝对值之和。

时空满足一定的可微性和拓扑性条件,即时空是光滑的,没有裂缝或孔洞。

在这些条件下,彭罗斯和霍金证明了存在一些有限仿射长度的光线,即从视界进入黑洞的光线,它们的长度是有限的,而不是无穷的。这意味着这些光线必然在有限的时间内终止于某个点,而这个点就是奇点。彭罗斯和霍金没有给出奇点的具体形式,只是断言它们一定存在,而且是不可避免的。

Kerr对这个论证提出了质疑,他认为彭罗斯和霍金的推理有漏洞,不能证明奇点的存在。他的主要观点是:

彭罗斯和霍金的论证依赖于对物质的性质和行为的假设,而这些假设可能不符合实际情况。例如,他们假设物质满足弱能量条件,但是在极端的条件下,物质可能违反这个条件,产生负能量或负压强。他们也假设物质的运动是连续的,但是在量子尺度下,物质可能出现跃迁或隧穿的现象。

彭罗斯和霍金的论证没有考虑到黑洞的旋转,而这是一个非常重要的因素。旋转的黑洞,即Kerr黑洞,有两个视界,一个外视界和一个内视界,它们之间是一个叫做事件壳的区域。在事件壳内,物质或辐射不可避免地向内坠落,但是并不一定要达到奇点。科尔教授指出,Kerr黑洞的内部存在一些特殊的光线,它们是渐近地切于视界的,而且没有终点,也没有奇点。这些光线可以作为反例,来否定彭罗斯和霍金的论证。

Kerr的结论是,黑洞没有奇点,而只是一种更密集的物质状态,类似于中子星或类星体。他认为,黑洞的内部结构可以用广义相对论来描述,而不需要引入新的物理理论。他还给出了一个例子,来说明黑洞的内部结构是如何受到旋转的影响的。他考虑了两个缓慢旋转的黑洞合并成一个黑洞的过程,他发现,这个过程可以用科尔-席尔德形式的黑洞解来描述,而且与实验观测到的引力波信号非常吻合。

科尔教授的论文是一篇具有挑战性和创造性的工作,它对黑洞的本质提出了一个新的看法,也对奇点定理提出了一个新的质疑。