若要解释霍金的“裸奇点”,我们需要先明白什么是“奇点”。奇点在宇宙学当中也称作“奇异点”,大多数科学家认为,奇点产生于宇宙之初,也是时间空间无限曲率的一点。根据宇宙大爆炸理论,宇宙存在着一系列奇异的性质,它的内部存在着无限大的密度、引力以及无限弯曲的时空等。而根据爱因斯坦广义相对论的宇宙学,奇点的存在是不可避免的。1970年,霍金和彭罗斯提出了奇性定理,在奇性定理当中,如果将爱因斯坦的广义相对论应用到宇宙学当中,就必然会出现奇点。而一颗大质量的恒星寿命结束坍塌,它最终的结局也是成为一个奇点,从而成为黑洞。而根据黑洞理论,黑洞的中心存在着一个密度和质量无限大的点,这个点就是奇点。正如爱因斯坦所说:“人们不可假定这些方程对于很高的场密度和物质密度仍然是有效的,也不可下结论说‘膨胀的起始’就必定意味着数学上的奇点。”而广义相对论中奇点的存在,也成为它的局限性。
当前,很多人类曾经无法解释的现象都有了科学的理解和证明,黑洞的产生就是如此。很多科学家认为黑洞的强大引力场会使得任何物质都无法逃脱,包括光线,环绕黑洞奇点周边的物质就是黑洞的边界——事件视界。任何物质一旦进入到事件视界当中,就相当于进入到了一个永恒的监狱,永远无法离开这个区域,而是会不断地向黑洞的中心奇点靠近,直到撞毁在奇点之上。同样,不管是任何物质,一旦进入事件视界之内,外部的观察者就再也不会看到它,包括强烈的光。
只是,人们对于黑洞的描述仅仅是建立在数据定理的推断这一基础上,黑洞到底是什么样子,没有人知道,所以,上述的描述是否精确,人们也无法知晓。根据已知的物理学定律,我们可以确定黑洞的奇点是一定存在的,但是,黑洞的边界——事件视界是否存在,则没有明确的科学证明。之所以有人认为黑洞存在事件视界,是因为黑洞的奇异性:进入黑洞的物质到底发生了怎样的变化,而这种变化为什么又会对外界没有任何影响?事件视界将所有的东西都隐藏了起来,这样就如同孩童之间躲猫猫的游戏,让人们在好奇心的驱使下不断地探索和寻找。
不过,虽然如此,还是有越来越多的科学家开始质疑和研究黑洞存在事件视界这一个理所当然的假设。很多研究宇宙的科学家也开始证明,恒星在坍塌为黑洞的时候,也许并没有形成事件视界。黑洞没有边界,因此黑洞的奇点实际上就暴露在人们的视野范围之内,而天文物理学家将这样的奇点称为“裸奇点”。
“裸奇点”是指没有视界包围住的引力奇点。在前文中已经说明,超大质量的恒星寿命终止之后会塌缩成奇点,形成黑洞。在广义相对论理论中,黑洞是有边界的,即事件视界,事件视界和奇点二者共同构成黑洞。事件视界的存在,使外部无法观测到黑洞内部的情况,进入黑洞的物质也永恒的无法逃脱。而裸奇点则正好相反,霍金认为,黑洞的边界是不存在的,也就是没有事件视界,接近黑洞的光和其他物质也无法永远被困在黑洞当中,而是有机会逃脱的,理论上,外界的观察者也能够看到发生在奇点附近的时空扭曲想象。这就是霍金的裸奇点理论。
裸奇点的存在对于天文学家和物理学家来说,是一项极为重要的理论。没有了事件视界的阻碍,人们可以直观地看到星体塌缩的过程。从前,我们认为进入黑洞就会与外界永久地隔绝,但是假如裸奇点真实地存在,那么在奇点附近发生的一切,则可以被外界详细地观察和记录下来,这样,再去解释在奇点发生的现象,就会直观而且相对容易。很显然,这对于人类宇宙的研究无疑是帮助巨大的。
当然,裸奇点的存在在最开始也仅仅是假说,若将物理理论应用于天文的实践,则会是一项非常艰巨浩大的工程。1930年,美国物理学家首开先例,他们简化了爱因斯坦的方程式,用完美恒星模拟其塌缩过程,但最终还是形成了事件视界。之后,印度物理学家也做过类似的模拟实验,结果同样如此。因此,1969年,牛津大学物理学家彭罗斯认为,黑洞奇点的形成,必然要存在事件视界,大自然不允许人类看到黑洞内部发生的状况。当然,这种假说同样没有严谨的数学来证明。1973年,德国物理学家塞费德与他的同事在运用密度不均匀的恒星进行模拟黑洞形成实验时,竟然无意中发现各种密度不同的物质在坍塌时交互作用,会短暂地产生没有视界包围的奇点。而这样的裸奇点和有事件视界包围的奇点相比,要温和得多,虽然它的密度会变得无限大,但是重力和引力场的强度却很低,这也就意味着接近这个裸奇点的物质不会被压缩。之后的1979年和1983年,又有科学家进一步证实了裸奇点的存在,同样,他们发现的裸奇点的重力也不强劲。
在20世纪60年代末,科学界最终意识到,恒星在塌缩成为黑洞的时候,会形成事件视界掩盖奇点,但是在一些特殊的情况之下,也会形成没有事件视界的裸奇点。裸奇点的形成,关键在于能否克服事件视界的引力。如果恒星在塌缩过程当中具有非常高的旋转速度和强大的电场,那么它产生的反作用力就会形成内事件视界。当转速不断提高或者电场不断加强,那么恒星塌缩产生的力就会使内事件视界和事件视界的距离缩短,两个视界的距离不断变小,最终相互重叠而消失,这样,奇点就会**出来。这样,在宇宙当中,极高转速的星体最终就有可能成为裸奇点。