黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，其内部结构一直是物理学家的谜题。 根据广义相对论，当一颗恒星坍缩成黑洞时，它的质量被压缩到一个无限小、无限密集的点，也称为奇点。 奇点是物理定律失效的地方，我们无法检测或理解它们的性质。
然而，最近，一位传奇物理学家提出了一个大胆的观点，他认为奇点不是真实的，而是一种数学幻觉。 他就是罗伊·科尔（Roy Cole），他在2024年发现了旋转黑洞的时空解，被称为科尔黑洞。 科尔黑洞是最接近现实的黑洞模型，因为它考虑了黑洞的角动量，而不是简化的史瓦西黑洞。
在他的新小说中，科尔利用了一个强大的数学论证，称为“正则性条件”来否认奇点的存在。 正则性条件要求时空在任何有限区域内都是平滑的，没有无穷大或奇异值。 科尔认为，如果我们能找到一个合适的坐标系，使时空满足黑洞内部的规律性条件，那么奇点就不是物理的，而是数学的。 换句话说，奇点只是一种错觉，因为我们选择了错误的坐标系而出现，就像地球的两极在某些地图上似乎是奇点一样。
事件视界望远镜（EHT）共同成像的两个黑洞的大小比较：梅西耶87星系中心的M87*和银河系中心的人马座A*（SGR A*）。为了更好地理解科尔的观点，我们需要回顾黑洞的基本概念和性质。
黑洞是一种极端的天体，质量非常大，体积非常小，因此具有非常强的引力。 黑洞的引力非常强大，连光都逃不出来，所以我们无法直接观测到黑洞。 黑洞的边界被称为事件视界，它是一个不可见的表面，一旦任何物质或辐射穿过它，就永远无法返回。 事件视界的半径称为黑洞的“史瓦西半径”，它与黑洞的质量成正比。 例如，太阳的史瓦西半径约为 3 公里，地球的史瓦西半径约为 9 毫米。
当物质坍缩时，它不可避免地会形成黑洞。 罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）是第一个提出时空物理学的人，该物理学适用于空间和时间中所有时刻的所有观察者。黑洞的形成是由于恒星的演化。 当一颗恒星的核燃料耗尽时，它就会失去平衡并开始坍缩。 如果恒星的质量足够大，那么它的坍缩就无法被任何力量阻止，最终形成一个黑洞。 这种类型的黑洞被称为恒星黑洞，它的质量大约是太阳的几到几十倍。 另一种类型的黑洞是超大质量黑洞，它的质量是太阳的数百万到数十亿倍，位于星系的中心，可能是由于多个小黑洞的合并或大量气体和恒星的吞噬。
根据广义相对论，时空是被物质和能量弯曲的。 物质和能量的密度越大，时空弯曲就越多。 黑洞是时空弯曲的一个极端例子，它的内部时空是如此扭曲，以至于所有物理量都变得无穷大或毫无意义。 这种时空奇点被称为奇点，它是物理定律失效的地方，我们无法检测或理解它们的性质。
罗伊·克尔（Roy Kerr）在2024年找到了具有质量和角动量的黑洞的确切解决方案，并揭示了内部和外部事件视界以及内部和外部事件视界，而不是具有虚线奇点的单个事件视界。奇点的存在是由于广义相对论的数学推导，但它不一定是真实的。 长期以来，物理学家一直想知道奇点是物理的还是数学的。 物理奇点意味着它是真实的，而数学奇点意味着它是由于我们使用不适当的数学工具或方法而引起的错觉。 例如，如果我们用笛卡尔坐标系来描述地球表面，那么我们会发现地球的两极是奇点，因为那里的经度是不确定的。 但是，如果我们用球面坐标系来描述地球表面，那么我们就不会有这个问题了，因为球面坐标系更适合描述球面物体。 因此，地球的两极是数学奇点，而不是物理奇点。
同样，黑洞的奇点可能是数学奇点，而不是物理奇点。 也就是说，如果我们能找到一个更合适的坐标系或方法来描述黑洞的内部时空，那么我们遇到的就不是奇点，而是光滑的时空。 这就是科尔在他的新**中所做的。
科尔黑洞是罗伊·科尔于2024年发现的旋转黑洞。 科尔黑洞是最接近现实的黑洞模型，因为它考虑了黑洞的角动量，而不是简化的史瓦西黑洞。 科尔黑洞的事件视界不是球面，而是一个类似于轮胎的平面，其大小和形状取决于黑洞的质量和角动量。 科尔黑洞的事件视界内还有一个内视界，它是一个类似于甜甜圈的环形表面，其大小和形状也取决于黑洞的质量和角动量。 科尔黑洞的奇点不是一个点，而是一个环，它位于内部。
在黑洞附近，空间像移动步道或瀑布一样流动，这取决于你想如何想象它。 与非旋转情况不同，事件视界**分为两部分，而中心奇点被拉伸成一个一维环。在他的新小说中，科尔利用了一个强大的数学论证，称为“正则性条件”来否认奇点的存在。 正则性条件要求时空在任何有限区域内都是平滑的，没有无穷大或奇异值。 科尔认为，如果我们能找到一个合适的坐标系，使时空满足黑洞内部的规律性条件，那么奇点就不是物理的，而是数学的。 换句话说，奇点只是一种错觉，因为我们选择了错误的坐标系而出现，就像地球的两极在某些地图上似乎是奇点一样。
科尔的论点基于一个称为“彭罗斯-霍金奇点定理”的数学定理。 这个定理由罗杰·彭罗斯和斯蒂芬·霍金在2024年提出，证明在一定条件下，时空中一定存在奇点。 这些条件包括：
时空满足广义相对论的方程。
时空中有一个封闭的表面，称为“被困表面”，它的所有出射光线都向内收缩而不是向外收缩。
时空中存在一个能量条件，即物质和能量的密度是非负的。
这个定理的意义在于，它指出奇点的存在是广义相对论的必然结果，而不是特例。 这也说明，如果我们想避免奇点，就必须放弃广义相对论的一些假设，或者引入一些新的物理机制，比如量子效应。
位于克尔（旋转）黑洞最内层稳定轨道之外的单个测试粒子的轨道动画。 请注意，粒子与黑洞中心的径向范围不同，这取决于方向：它们是与黑洞的旋转轴对齐还是垂直于黑洞的旋转轴。科尔的论证是对这个定理的挑战，他试图证明，即使这个定理的所有条件都得到满足，时空中也不一定存在奇点。 他的想法是，如果我们能找到一个合适的坐标系，使时空满足黑洞内部的规律性条件，那么我们就可以避免奇点，只看到一个平滑的时空。 科尔认为存在这样的坐标系，但他没有给出具体的例子，而只是假设存在这样的坐标系。
黑洞（黑色）、视界和能量层（白色）的旋转阴影。 图像中显示的不同a的数量与黑洞的角动量与其质量之间的关系有关。科尔论点的核心是，他认为时空的奇点是由于我们使用了不合适的坐标系，而不是时空本身的本质。 他认为，如果我们能找到一个更合适的坐标系，那么我们就可以消除奇点，只看到一个平滑的时空。 这就像如果我们用一个球面坐标系来描述地球的表面，我们就可以消除地球两极的奇点。
科尔论证的优点在于，它提供了一种解决黑洞奇点问题的可能方法，而无需放弃广义相对论的基本假设或引入一些新的物理机制。 它还为黑洞的内部结构提供了新的视角，并可能揭示一些新的物理现象。
对两颗合并中子星附近扭曲时空的数学模拟，导致黑洞的产生。 彩色波段是引力波的波峰和波谷，随着波幅的增加，颜色会变得更亮。 携带最多能量的最强波浪出现在合并事件之前和期间。科尔论证的缺陷在于，它没有给出一个特定的坐标系，使黑洞内部的时空有规律，而只是假设存在这样的坐标系。 这使得他的论点无法令人信服，因为我们无法验证他的假设是否正确，或者是否有其他障碍使得无法找到这样的坐标系。 此外，他的论点没有解决黑洞内部的量子效应，因为广义相对论可能不再适用于极端条件，需要更精细的理论来描述它。
科尔的观点不是最终的答案，而是一个有趣的假设，值得进一步探索。 我们可能永远无法直接观测到黑洞的内部，但我们可以通过理论和实验找到更多的线索，揭开黑洞的奥秘。
一种可能的方法是使用引力波来探测黑洞的内部结构。 引力波是由于时空扭曲而产生的波动，它可以携带一些关于时空的信息。 当两个黑洞合并时，它们会产生强烈的引力波，其中可能包含有关黑洞内部结构的一些信息。 如果我们能够准确地测量和分析这些引力波，我们也许能够推断出黑洞是否具有奇点，或者是否存在某种新的物理现象。
另一种可能的方法是使用量子理论来描述黑洞的内部结构。 量子理论是描述微观世界的物理理论，它与广义相对论是不相容的。 当我们考虑黑洞的内部结构时，我们需要将量子理论和广义相对论结合起来，形成一个统一的理论，称为量子引力理论。 量子引力理论是物理学家一直在寻求解释所有物理现象的理论，包括黑洞的奇点。 目前，还没有完整的量子引力理论，但有一些候选理论，如弦理论、复曲面量子引力理论或黑洞修复理论。 这些理论都试图用量子的方式描述黑洞的内部结构，可能消除了奇点的存在，或者给出了一些新的解释。