奇点和黑洞

这些主题的哲学讨论经常从牛仔（2014）的牛仔舰重力中的理论测试的魔法叙述中的哲学讨论，但是时间将判断这更复杂的一般相对论的循环真正关闭。 Skulberg和Sparre（2023）讨论黑洞成像的历史与1978年的Jean-Pierre Luminet首次逼真的黑洞的第一手绘制图像; 和MUHR（2024）提供了对这些图像的进一步媒体研究的透视图。 此外，EHT观察的一些未来扩展将涉及各种能力的人文学者（Galison等，2023），通过在望远镜场地选择的伦理因素中称重，通过构建合作，探讨更多物理问题的传统科学哲学。

对黑洞的目前和未来观察包括多信使天文学，其中组合了从相同区域或事件发出的不同类型的信号。 例如，只有引力波事件GW170817及其电磁后续测量强烈约束了许多改进的重力理论，并通过大约10个级别改善了重要的物理参数的测量。 结合许多证据表致力于有关天体物理学和历史科学之间的类比的更哲学问题，以及各种证据，伪造和许多其他人的价值; 查看阿贝森（2022年）和长老（2024）讨论这些问题。

最后，术语“直接”观察（或检测，证据等）的批判性分析是由Skulberg和Elder（2025）进行的，他将六种不同的概念分离了天体物理学家在各种情况下使用的六种不同概念，以及各种目的：1。严格的观点（观察实体本身，而不是对其他物理系统的影响）; 2.在不干扰的情况下传输信号; 3.仔细观点与实体靠近信号的靠近信号; 4.推理中使用的步骤数量; 5.明确的签名，或在所观察到的源上放置更严格的约束; 6.依赖于使用目标系统的模型的概念（或者测量的模型是否足以进行检测索赔）。

然而，还有更多遗为要做。 为了仅仅给出一些例子，哲学家根本没有调查整体观测和建模的黑洞，包括：许多在X射线天文学中制作的推论; 隔离恒星黑洞的微溶剂证据; 当一颗星的潮汐中断事件发生显着与超迹象的黑洞相互作用; 以及整个原始黑洞的问题。

3.3。 宇宙中最完美的物体

相对论的黑洞最显着的特征是它们是纯粹的引力实体：无论如何，突出的黑洞时空模型，Schwarzschild和Kerr。 它们是对爱因斯坦磁场方程的真空解决方案，这只是意味着物质密度无处不在的解决方案。 （当然，人们也可以考虑存在的黑洞，因为标准的天体物理模型为被认为生活在大多数星系的中心的超大迹象的黑洞，这被认为被强烈的磁场包围和超级加热物质的增量磁盘包围。）在前相对论的物理学中，我们将重力视为由与某些问题相关的质量产生的力产生的力。 然而，在一般相对论的背景下，我们消除了引力力，而是假设弯曲的时空几何形状，这些几何形状产生了我们标准地归因于重力的所有效果。 将其与牛顿重力理论相比的一般相对论的最特征特征之一是它承认在没有物质的情况下这种曲率（“重力效应”）的可能性，例如在黑洞的边界处。 因此，黑洞不是时空的东西; 它代替空间本身的特征。

因此，仔细定义相对论的黑洞将仅依赖于时空的几何特征。 我们需要更精确地了解它意味着“一个从中没有，甚至没有光，可以逃脱”的意义。 首先，如果我们的定义是有意义的，必须有一些地方逃脱。 最常见的方法使这个思想精确和严格地占据无限远的概念。 这个想法是，如果粒子或光线不能从时空内部的一定的边界区域行进，但必须总是在该区域中始终保持在区域中，那么该区域是无逸出的一个，因此是一个黑洞。 该地区的边界是事件范围。 一旦物理实体将事件视界交叉到黑洞中，它就不会再次交叉。

其次，我们需要清晰的概念允许逃生的几何形状，或者使这种逃生是不可能的。 为此，我们需要对时空的因果结构的概念。 在空间中的任何事件中，所有光信号的可能轨迹都形成锥形（或更精确地，锥形边界的四维类似物）。 由于光线以时空允许的最快速度行进，因此这些锥体映射出在时空中可能的因果过程的传播的边界。 如果事件A的发生能够在事件B上因果地影响另一个发生，则必须在从事件A到事件B中的时空中的连续轨迹，使得轨迹位于或沿着每个事件的每个事件的光锥体上。 （有关更多讨论，请参阅补充文件：光锥和因果结构。）

图6是物质范围的间隔图，以形成黑洞。 时空的曲率由远离45度的光锥倾斜表示。 请注意，光锥向内向内倾斜，因为一个接近黑洞的中心。 垂直运行的锯齿状线垂直地旋转图中的中心描绘了黑洞内的中央奇点。 正如我们在第1节强调的那样，这实际上并不是时尚的一部分，但可能被认为是空间结构破裂的“地方”。 因此，一个人不应该想象通过奇点旅行的可能性; 这将是遗传的，作为留下图表（即时空）的东西。

在底部有一个大箭头指向右侧标记为“空间”和右边缘的大箭头指向标记为“时间”。 两个曲线在图中间聚集在一起; 曲线之间的空间标记为“崩溃物质”。 从曲线相遇的点，有一个Quiggly线路延伸到图的顶部。 28个小双锥形横跨图的上半部分排列; 在左边和右边缘，锥体是垂直的，但靠近中心的锥体越来越倾斜，朝向中心的尖锐线倾斜; 围绕着Quiggly线的虚线是标记为“活动范围”的虚线。

图6：黑洞形成的空间图

是什么让这个黑洞时尚是它的事实，即它包含一个区域，而不可能在光速或低于光速的同时离开。 该区域由前向光锥体的外边缘向上的事件标记。 随着一个从这些事件向内移动，光锥倾斜如此大，即总是被迫向内移动到中央奇点。 当然，这组没有回报的点是事件范围; 而在它内部的时空区域是黑洞。 在该地区，一个人不可避免地朝着奇点移动; 避免奇点不可能只是无法阻止自己在时间前进的不可能。 （再次，参见第3.5节，以讨论其他方法来定义黑洞。）

请注意，如图6所示，折叠星的物质最终消失在黑洞奇点。 此事的所有细节都完全丢失了; 剩下的是黑洞的几何特性。 令人惊讶的是，这些性质可以用小型固定的物理量识别。 实际上，非头发定理（以色列1967,1968;卡特1971,1973,1997 [其他互联网资源];罗宾逊1975; Mazur 1982; Heusler 1996;chruściel等。2012）严谨的想法，即平衡的黑洞完全是三个数字，即它的质量，其角动量及其电荷。[8] 这具有显着的结果，无论细节是否可以是折叠形成黑洞的任何身体 - 它可能与最具异国情调的材料组成的复杂，复杂和洛可可，而系统定居后的最终结果在各方面的平衡将相同，这是由具有相同总质量，角动量和电荷（卡特1997 [其他互联网资源]）的任何其他主体的塌陷形成的黑洞。 由于这种简单性的极端，Chandrasekhar（1983，Prologue，p。xxiii）称为黑洞“最完美的宏观物体......在宇宙中” （其物理状态完全仅仅三个数字的特征在于，在下面的5.2中讨论了在黑洞的热力学性质的归属中起重要作用。但是应该意识到，尽管爱因斯坦的事情侧没有发型定理有效场方程由电磁场组成，广义没有发箍猜测已经在经典理论中遇到了各种反例;见chruściel等，2012年的第5节。）

值得注意的是，不仅是最大简单的对象的黑洞。 他们也在宇宙中的所有其他方面强制执行简单，无论远离自己。 从这种意义上，可以精确地，空间歧管本身的最基本结构之一，其拓扑结构尽可能简单，而且在表现良好的黑洞外部。[9] 这被称为拓扑审理定理（Friedman等人1983;chruściel和Wald 1994; Galloway 1995）。 据姓名建议，它涉及宇宙审查假设（Galloway和Woolgar 1997）的较大问题，如下所述第4节。 但是，它本身，它提出了关于拓扑结构在时空中的拓扑结构关系的令人着迷的问题，哲学家几乎完全无法开发的问题。 （请参阅Geroch和Horowitz 1979年是一长串概念和技术问题以及关于这一关系的问题。然而，对于对时空性质感兴趣的哲学家，其不同的结构与彼此相关和约束的方式必须是基本的重要性。

3.4。 准局部黑洞

出于第3.1节中讨论的原因，基于全球事件地平线的思想的黑洞的标准定义对真正的天体物理系统建模有限（除了最理体地理解它们基本上孤立）。 为了纠正这种情况，海沃德（1994）提供了一个黑洞的广义定义，而不是要求传统定义依赖的任何特殊全球结构。 海沃德根据他称之为捕获的地平线来定义一个黑洞。 这粗略地讲述，所有向往的光线都是会聚的表面，并且所有向外的光线都是切线的。 该定义试图捕捉到黑洞是引力强度使得甚至甚至光可以逃脱的概念：在表面上发生的任何光线向内时会被吸入; 否则，光线可以仅与表面相切。 表面不承认从内部行驶的入射光光线。 这种定义具有原则上的黑洞的边界，原则上的局部物理意义：观察者可以通过仅通过局部测量来确定她何时交叉。 （更确切地说，一个同步观察团的团队，其组合仪器伸展局在给定的时间内包括整个表面，可以共同制作这种确定，有足够的背景知识在边界外的时空几何形状。）

Ashtekar等人。 （1999年，2000）基于他们称之为孤立的视野，提供了一个与黑洞的想法的不同相关的概括。 这一定义比姓名所知，这一定义比海沃德更具限制性，因此它要求没有压力 - 能源越过这种地平线。 Ashtekar和Krishnan（2003），Ashtekar（2007）和海沃德（2006年，2006年，2009年）的后续工作澄清了两者之间的关系，表明可以考虑孤立的地平线，从某种意义上是一种诱捕的特殊情况地平线。 （参见近期2013年的综合评论，福阿尼2013年，为一个特别关注其与宇宙学的相关性。）对于缺乏更好的术语，我们将呼叫通过捕获或隔离视野“准局部黑洞”定义的黑洞。 （'本地'因为它们不是全球对象，因为传统上定义的黑洞和'准'，因为它们仍然可以在整个时空中任意延伸。）

这些竞争定义对准局部黑洞的竞争定义以及它们之间的差异，以及它们各自的美德和缺点可能是什么，似乎是开放的问题，尽管海沃德和Ashtekar等人都在刚刚引用的作品中，走向某种方式通过使用各自的定义来回答其中一些，以证明所谓的黑洞力学规律的概括（下面5.1节）。 海沃德还展示了一些古典奇点定理的类似物，也是他的定义。 尽管如此，许多问题仍然是开放的 要采取一个例子，目前尚不清楚新定义是否与传统定义中的传统定义一致，其中可以制定传统定义，或者是否必须满足抵押条件以重合。 它还不清楚是否使用新定义或者甚至可以是那些类似物的模拟没有头发定理。

也许是准局部黑洞的最令人迷人的特征是，从某种意义上说，可以精确地，它们是“克莱尔方向”：他们意识到并响应它们不能处于因果的时空地区的几何形状的变化联系（Bengtsson和Senovilla 2011）。 实际上，他们可以包括整个因果的地区，其周末过去是平的！ 该主题举例说明了一般相对论中的因果结构可以表现出的旺盛的奇怪性。

3.5。 黑洞的不同定义

除了基于全球活动视界的存在的黑洞的标准定义外，还讨论了准局部定义，还有一个巨大而大大的动物园的不同定义和概念的黑洞，不同领域的物理学家（有时是那些在同一领域）在他们的日常工作中使用，无同意标准或准局部定义，其中许多人彼此明显不一致（CURIEL 2019）。 然而，一个观点这种情况，很明显，作为今天物理学实践的蛮力，没有单一的“黑洞”的定义，这将在所有领域中提供所有调查目的，其中黑洞是学习物体的所有领域。 表1列出了最常用的核心概念，这些概念在跨几个不同的物理领域的黑洞的定义和特征中使用，只用最广泛和最粗壮的刷子勾勒出来。 应该记住，每个字段中的许多调查人员都不使用，甚至接受合理，表中给出的内容。

领域。核心概念

天体物理学

紧凑的物体

没有逃脱的地区

发动机用于巨大的功率输出

经典的相对论

未来无效过去的因果边界（事件地平线）

明显的地平线

准局部地平线

数学相对论

明显的地平线

奇异

半古典相对论

与经典相对论相同

最大熵的热力学系统

量子重力

量子场的特殊激励

集合或最大熵的混合状态

没有好的定义

模拟重力

没有有限时间逃逸的区域，或用于低能量模式

表1：不同领域共用的黑洞的不同定义中的核心概念

今天最常见的做法是在调查过程中，解决与一个人在感兴趣的背景下的目的所需的黑洞相关的重要性，特征性质和现象的列表，然后确定哪些已知定义意味着该列表的成员。 如果没有已知的定义意味着列表，则尝试构建一个新的定义（并且以其他方式令人满意），或者一个结论，其中一个人的名单中存在内部不一致，这可能已经有很大的吸引力。 检查黑洞的想法在物理学中使用的方式，宇宙学，经典一般相对论，半古典重力，粒子物理学，量子重力，流体力学，冷凝物和模拟重力 - 产生的各种节目潜在特征性质和现象的列表，其中一些子集可以在给定的调查背景（Curiel 2019）中的黑洞中表征或想要了解或想要

拥有一个满足黑洞力学的四种定律的地平线;

拥有当地可确定的地平线;

拥有一个在适当的意义上真空的地平线;

真空有合适的对称性;

在一些最短的时间段内定义一个没有逃逸的区域，在最短的时间段内;

定义所有时间没有逃生的区域;

嵌入渐近平板上;

嵌入拓扑简单的时期;

包括一个奇点;

满足无头发定理;

是满足适当的Hadamard条件的初始数据的演变的结果（进化稳定性）;

允许人们预测最终，稳定的状态在扰动后在扰动后达到平衡，在一些相关意义上，到古典静止的黑洞解决方案（Schwarzschild，Reissner-Nordström，Kerr，Kerr-Newman）;

在那些刻薄的时分评估时同意经典的静止黑洞解决方案;

允许人们从某种独立的兴趣原则中获得霍金辐射的存在（参见第6.1节）;

允许人们以适当的限制计算，从某种独立的兴趣原则，符合Bekenstein熵的熵（即，与相关地平线的面积成比例，具有ℏ的秩序的校正5.2和第5.3节）;

拥有熵，在一些相关意义上，最大化;

在可能的质量上有一个较低的;

非常紧凑。

此列表并不意味着穷举。 对于给定目的，存在许多可能需要的其他特性和现象。 但是，从这个部分列表已经清除，但是，没有单一的定义可以容纳所有定义。 还可以清楚地研究文献，此外，即使在同一社区内，不同的工人也会在他们思考黑洞中选择不同的目的不同的这些属性的子集。

与奇点的情况一样，黑洞的这些替代定义提高了关于不同定义之间关系的哲学问题，试图捕捉到直观地说，“相同种类”的物理对象。 例如，可以使用其全局事件范围的黑洞的标准定义作为隔离系统的极端理想化（一个没有相邻系统），以及基于被隔离的或捕获视野的定义，因为尝试捕获更多的孤立系统的更不理想的表示，一个在有限的删除处具有相邻系统的一个，或者系统的表示，其可以与其他系统非溯源地交互。 对于宽松，例如，天体物理学家使用的较少的精确定义，以及一些量子重力中提出的定义中的一些手势，但是，难以知道甚至开始将它们与精确的全球和准局部的比较。 简直不清楚，正在表征相同类型的物理系统。

这种情况提供了一个令人乐趣的案例研究，从身体和哲学的角度来看，有关理想化和解理的性质的问题，以及更普遍的理论实体的定义。 关于什么理由，例如，可以在没有经验数据的情况下确定对自己的每种类型定义的相对优点，每个人都提出了特定的调查？ 在什么意义上不同的定义表征了“相同”的物理系统，如果他们完全这样做了？ 是否需要解决一个黑洞的单一规范定义？ 有或没有人会获得或丢失什么？ 这种情况与缺乏奇点定义的情况非常类似于奇点的规范定义，除了它在这里更加极端：不同物理学家使用的奇点的不同定义（几乎总是总是）并不彼此不一致。

对于这一百科全书的剩余部分，除非另有明确说明，否则当我们谈论一个黑洞时，应该理解，我们的意思是由全球活动视界的标准定义确定的，因为这是当前基础工作中最常使用的。

4.赤裸的奇点，宇宙审查假设和不确定主义

虽然空间奇点通常被怀疑地观看，但物理学家往往提供保证，即使他们是真实的，我们希望大多数人都隐藏在黑洞的事件视野后面。 因此，除非我们实际跳入黑洞，否则这种奇点不会影响我们。 另一方面，一个裸体的奇点是一个没有隐藏在活动范围之后的奇点。 这种奇点似乎更威胁，因为它们是无线的，可在其余的时期自由地访问。

担心的核心是，奇异的结构似乎表示这么深刻的间隔结构的崩溃，即它可能会在宇宙的任何地区造成严重破坏它。 因为在奇异空间中断的结构通常是制定我们已知的物理法律所需的，并且特别是对个体物理系统的初始价值问题特别地，一个这样的担忧是确定主义在任何奇异击穿都是难以看见的情况下完全崩溃。 在Earman的（1995年，第65-6页）中的宣传本身，似乎没有什么可以阻止奇点厌恶任何令人不愉快的Jetsam，从显示尼克松的跳棋讲话给老丢失的袜子的电视任何区域都在任何地区的时空状态未定。 因此，对于任何因果关系的区域，任何区域都没有合理的确定主义，即使是可预测性的合理期望，也没有任何可能。

这种裸体奇点可能采取的一种形式是白色孔的形式，这是一个时间倒车的黑洞。 想象一下，从巨大的物体的崩溃中拍摄一部黑洞形成，说，一个明星，带着光，灰尘，火箭，宇航员和旧袜子在随后的演变期间落入其中。 现在想象一下这部电影倒退。 这是一个白色洞的图片：一个人以赤裸的奇点开始，其中一个可能出现人，火箭，袜子 - 最终是一个爆裂的星星。 在这种白洞的因果之外绝对没有任何东西会发现它会产生什么，因为从无发定理（第3.3节）所遵循的物品，落入黑洞的物品不会对其外面的未来留下痕迹。 （这种描述应该感到熟悉Canny Reader：它与第二律中所体现的普通热力学中的熵增加的方式相同，使得不可能的导电;在5节中讨论了黑洞与热力学的关系。），因为一般的现场方程如果使用时空和重力的规律允许形成黑洞的形成，则相对论不会拾取优选的时间，那么这些法律也允许白孔。[10]