快速旋轉的黑洞。鳴謝:uux.cn/歐洲航天局，2013年。
（神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網（英格麗德·法德利）：黑洞是空間中以極強引力為特征的區域，這阻止了所有物質和電磁波逃離它。這些迷人的宇宙天體一直是無數研究的焦點，然而它們複雜的物理細微差別尚未完全揭示。
加州大學聖巴巴拉分校、華沙大學和劍橋大學的研究人員最近進行了一項理論研究，重點是一類被稱為extremal Kerr黑洞的黑洞，這是一種不帶電的靜止黑洞，內外視界重合。他們發表在《物理評論快報》上的論文表明，這些黑洞的獨特特征可能使它們成為新的未知物理的理想“放大器”。
“這項研究源於我訪問加州大學聖巴巴拉分校期間開始的一個項目，”進行這項研究的研究人員之一馬切伊·科拉諾夫斯基告訴Phys.org。“我開始與加裏·霍洛維茨(UCSB)和喬治·桑多斯(劍橋)討論極冷(所謂的極端)黑洞。很快我們意識到，事實上，一般的極端黑洞看起來與之前認為的非常不同。”
在他們之前的論文中，Kolanowski，Horowitz和Santos表明，在宇宙常數存在的情況下，極端黑洞會受到無限潮汐力的影響。這意味著，如果生物落入黑洞，在它們移動到哪怕一點點接近黑洞中心之前，它們就會被重力壓碎。然而，研究小組表明，如果宇宙常數為零，就像許多天體物理學假設的那樣，這種效應就會消失。
“這篇論文的靈感來自加州大學聖巴巴拉分校的每周重力午餐，”格蘭特·雷門解釋道。在一次關於黑洞視界奇異性的演講後，我和Horowitz聊天，問是否有其他效應會導致這種現象。我以前在有效場論(eft)方麵的工作，特別是發展帶有量子修正的物理模型，給了我一個想法。在與霍洛維茨交談時，我想知道引力EFT中的高階導數項(即愛因斯坦方程的量子修正)本身是否會導致極端黑洞視界上的奇點。”
在Remmen與Horowitz分享了他的想法後，他們開始與Kolanowski和Santos合作，旨在通過一係列計算來測試這個想法。在他們的計算中，研究人員認為愛因斯坦引力與其領先的量子修正相耦合。
“愛因斯坦方程在黎曼張量中是線性的，黎曼張量是一種描述時空曲率的數學對象，”Remmen解釋道。“在三維空間中，對愛因斯坦的主要修正是曲率的三次(三次方)和四次(四次方)項。因為曲率是時空幾何導數的一種度量，這樣的項被稱為“高階導數項”我們計算了這些高階導數項對快速旋轉黑洞的影響。"
極端黑洞以最大可能速率旋轉，對應於以光速移動的視界。研究人員的計算表明，極端黑洞的高階導數EFT校正使它們的視界奇異，具有無限的潮汐力。這與典型的黑洞形成了鮮明的對比，典型的黑洞具有有限的潮汐力，隻有在黑洞的中心才會變得無限。
“令人驚訝的是，EFT校正使奇點從黑洞中心一直跳到視界外，這是你意想不到的地方，”Remmen說。“給定EFT項前麵的係數值——物理定律中的‘刻度盤設置’—由高能短距離下存在的耦合和粒子類型決定。從這個意義上說，EFT係數對新物理很敏感。”
Kolanowski、Horowitz、Remmen和Santos還發現極端黑洞視界處潮汐發散的強度以及潮汐奇異性的可能發生嚴重依賴於EFT係數。因此，他們的計算結果表明，這些黑洞視界附近的時空幾何對更高能量的新物理很敏感。
“有趣的是，這種意想不到的奇點出現在由粒子物理學標準模型生成的這些EFT係數的值中，”Remmen說。
“我們的結果令人驚訝，因為它們意味著物理學的低能描述可以在你意想不到的情況下崩潰。在物理學中，不同的距離尺度之間通常有一種“分離”的感覺。比如用流體力學來描述波，不需要知道水分子的細節。然而，對於快速旋轉的黑洞來說，這正是正在發生的事情:低能EFT在視界處崩潰。”
總的來說，這組研究人員進行的計算暗示了極端克爾黑洞對探索新的物理現象的承諾。雖然這些黑洞的視界可能非常大，但預計它在EFT中不會有無限大的曲率(即無限的潮汐力)。他們的結果表明確實如此。
“在未來的工作中，我們有興趣探索奇點是否可以通過紫外線物理學來解決，”Remmen補充道。“一個緊迫的問題是，視界對新物理的敏感性是否會一直持續到普朗克尺度，或者視界是否會在與EFT相關的短距離尺度上‘變得平滑’。我們還在尋找短距離效應可能在遠距離出現意外的其他情況。”