理论研究表明克尔黑洞可以放大新的物理学

顺其自然362

快速旋转的黑洞。鸣谢:欧洲航天局，2013年。

（）据美国物理学家组织网（英格丽德·法德利）：黑洞是空间中以极强引力为特征的区域，这阻止了所有物质和电磁波逃离它。这些迷人的宇宙天体一直是无数研究的焦点，然而它们复杂的物理细微差别尚未完全揭示。

加州大学圣巴巴拉分校、华沙大学和剑桥大学的研究人员最近进行了一项理论研究，重点是一类被称为extremal Kerr黑洞的黑洞，这是一种不带电的静止黑洞，内外视界重合。他们发表在《物理评论快报》上的论文表明，这些黑洞的独特特征可能使它们成为新的未知物理的理想“放大器”。

“这项研究源于我访问加州大学圣巴巴拉分校期间开始的一个项目，”进行这项研究的研究人员之一马切伊·科拉诺夫斯基告诉Phys.org。“我开始与加里·霍洛维茨(UCSB)和乔治·桑多斯(剑桥)讨论极冷(所谓的极端)黑洞。很快我们意识到，事实上，一般的极端黑洞看起来与之前认为的非常不同。”

在他们之前的论文中，Kolanowski，Horowitz和Santos表明，在宇宙常数存在的情况下，极端黑洞会受到无限潮汐力的影响。这意味着，如果生物落入黑洞，在它们移动到哪怕一点点接近黑洞中心之前，它们就会被重力压碎。然而，研究小组表明，如果宇宙常数为零，就像许多天体物理学假设的那样，这种效应就会消失。

“这篇论文的灵感来自加州大学圣巴巴拉分校的每周重力午餐，”格兰特·雷门解释道。在一次关于黑洞视界奇异性的演讲后，我和Horowitz聊天，问是否有其他效应会导致这种现象。我以前在有效场论(eft)方面的工作，特别是发展带有量子修正的物理模型，给了我一个想法。在与霍洛维茨交谈时，我想知道引力EFT中的高阶导数项(即爱因斯坦方程的量子修正)本身是否会导致极端黑洞视界上的奇点。”

在Remmen与Horowitz分享了他的想法后，他们开始与Kolanowski和Santos合作，旨在通过一系列计算来测试这个想法。在他们的计算中，研究人员认为爱因斯坦引力与其领先的量子修正相耦合。

“爱因斯坦方程在黎曼张量中是线性的，黎曼张量是一种描述时空曲率的数学对象，”Remmen解释道。“在三维空间中，对爱因斯坦的主要修正是曲率的三次(三次方)和四次(四次方)项。因为曲率是时空几何导数的一种度量，这样的项被称为“高阶导数项”我们计算了这些高阶导数项对快速旋转黑洞的影响。"

极端黑洞以最大可能速率旋转，对应于以光速移动的视界。研究人员的计算表明，极端黑洞的高阶导数EFT校正使它们的视界奇异，具有无限的潮汐力。这与典型的黑洞形成了鲜明的对比，典型的黑洞具有有限的潮汐力，只有在黑洞的中心才会变得无限。

“令人惊讶的是，EFT校正使奇点从黑洞中心一直跳到视界外，这是你意想不到的地方，”Remmen说。“给定EFT项前面的系数值——物理定律中的‘刻度盘设置’—由高能短距离下存在的耦合和粒子类型决定。从这个意义上说，EFT系数对新物理很敏感。”

Kolanowski、Horowitz、Remmen和Santos还发现极端黑洞视界处潮汐发散的强度以及潮汐奇异性的可能发生严重依赖于EFT系数。因此，他们的计算结果表明，这些黑洞视界附近的时空几何对更高能量的新物理很敏感。

“有趣的是，这种意想不到的奇点出现在由粒子物理学标准模型生成的这些EFT系数的值中，”Remmen说。

“我们的结果令人惊讶，因为它们意味着物理学的低能描述可以在你意想不到的情况下崩溃。在物理学中，不同的距离尺度之间通常有一种“分离”的感觉。比如用流体力学来描述波，不需要知道水分子的细节。然而，对于快速旋转的黑洞来说，这正是正在发生的事情:低能EFT在视界处崩溃。”

总的来说，这组研究人员进行的计算暗示了极端克尔黑洞对探索新的物理现象的承诺。虽然这些黑洞的视界可能非常大，但预计它在EFT中不会有无限大的曲率(即无限的潮汐力)。他们的结果表明确实如此。

“在未来的工作中，我们有兴趣探索奇点是否可以通过紫外线物理学来解决，”Remmen补充道。“一个紧迫的问题是，视界对新物理的敏感性是否会一直持续到普朗克尺度，或者视界是否会在与EFT相关的短距离尺度上‘变得平滑’。我们还在寻找短距离效应可能在远距离出现意外的其他情况。”