这颗弦理论“恒星”的外观和行为看起来完全像个黑洞

一个多世纪前，黑洞被预测为巨大的质量集中，将宇宙的结构折磨成光和信息的陷阱。而现在，黑洞被确立为事实对象。

上图：两颗拓扑恒星（左和中）和一个拓扑孤子（右）的模拟。

但是，我们现在遇到的每一次光的扭曲，是否都是一种被证实的无限密度的集中，或者我们是否应该为其他宇宙奇异物种的可能性留下空间，让它们看起来也像太空中的一个洞？

美国约翰霍普金斯大学的三位物理学家利用为弦理论保留的数学模型发现，一些从远处看起来像黑洞的物体，近距离看，可能是另一种完全不同的东西：一种被称为“拓扑孤子”的新型假想奇异恒星。

考虑到弦理论是一种需要检验的假设，这些奇怪的物体只存在于纸面上，漂浮在纯数学的领域里。至少就我们所知是这样。但即使作为一种理论结构，有朝一日它们也可以帮助我们区分真正的黑洞和冒名顶替者。

物理学家易卜拉欣·巴赫（Ibrahima Bah）说：“你怎么知道什么时候没有黑洞？我们没有一个好的方法来测试它，研究像拓扑孤子这样的假设物体将帮助我们弄清楚这一点。”

黑洞可以说是宇宙中最神秘的已知物体。实际上，直到2015年第一次探测到引力波，也就是不到10年前，我们才有了对它们存在的具体确认。这是因为黑洞的密度非常大，以至于它们的引力扭曲了周围的时空，以至于在一定距离内，也就是所谓的事件视界内，宇宙中没有任何东西的速度快到足以达到逃逸速度。即使是真空中的光也不行。

这意味着，黑洞没有发出我们目前可以探测到的光，这使得它们不可见。而且，由于光是我们理解宇宙的主要工具，我们只能通过研究它们周围的空间来了解它们。

黑洞本身在数学上被描述为一个密度无限的一维点 —— 这在物理学上并不等同于任何有意义的东西。

但是，我们也可以想象其他奇怪的物理现象也以类似的方式运行。一个例子是玻色子星，一种假设的透明物体，因此不可见，就像黑洞一样。

现在，由物理学家皮埃尔·海德曼（Pierre Heidmann）领导的小组发现，拓扑孤子代表了另一种。这些是弦理论预测的四维时空中的引力扭结，在弦理论中，宇宙中最小的元素不是像像素一样的点，而是微小的振动弦。

从远处看，这些扭结周围的区域并没有那么与众不同。然而，近距离观察，空间的拓扑结构会严重扭曲。

该团队用数学方法构建了他们的拓扑孤子，然后将他们的方程插入到模拟中，以观察它的行为。他们将模拟叠加在真实的太空图片上，以最准确地了解他们的结构是如何运作的。

上图：显示黑洞和拓扑孤立子之间差异的动画。

从远处看，这个拓扑孤子看起来就像一个黑洞，光线似乎被吞噬了。

然而，在更近的距离上，拓扑孤子变得奇怪了。它根本不像黑洞那样捕获光，而是将其搅乱并重新发射。

物理学家皮埃尔·海德曼解释道：“光是强烈弯曲的，但它不像在黑洞中那样被吸收，而是以奇怪的运动散射，直到在某一点上以混乱的方式回到你身边。你看不到黑点。你会看到很多模糊，这意味着光在这个奇怪的物体周围疯狂地运行。”

弦理论试图解决物理学中一个长期而令人烦恼的矛盾：描述物体在非常小的尺度上如何运动的量子力学，和描述更大尺度的广义相对论之间的矛盾。量子力学在相对论尺度上崩溃了，反之亦然，这一直困扰着物理学家，因为它们应该能够很好地合作。

两者的统一理论，即我们所说的量子引力，已被证明是难以捉摸的。拓扑孤子是第一个基于弦理论的物体，它与黑洞的行为相对应，表明量子引力物体可以用来描述现实世界的物理。

皮埃尔·海德曼解释说：“这是第一次对天体物理学相关的弦理论物体进行模拟，因为我们实际上可以描述拓扑孤子和黑洞之间的差异，就好像观察者在天空中看到它们一样。”

显然，我们不指望在天空中能看到它们，但探索这些可能性，可以帮助科学家更好地理解量子力学和广义相对论之间的紧张关系，希望有一天我们能找到一个解决方案。

物理学家易卜拉欣·巴赫表示：“这个很棒的研究项目仅仅是一个开始，我们希望在未来，能够真正提出由量子引力的新型物质组成的新型超紧凑恒星。”

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