黑洞会“一分为二”吗？极端旋转与额外维度，撕开宇宙禁区的缝隙

黑洞以两个相撞时合并而闻名，但反过来是否可能发生？一个黑洞能否以某种方式分裂成两个较小的黑洞？一项新的理论研究提出，这种非同寻常的可能性或许并未被物理学完全排除，尽管所需条件会极其极端。

这项研究发表在《物理评论D》（Physical Review D）上，标题为《当黑洞允许“裤子”拓扑时》（When Black Holes Admit Pair-of-pants Topologies），考察了使黑洞保持完整的物理定律，以及某些特定情形是否可能允许它们分裂。

“在我们的研究中，我们探讨了通常有哪些物理定律阻止黑洞分裂成两个。我们还研究了某些情形是否可能允许分裂发生，”该研究的共同作者弗朗切斯科·萨尼诺（Francesco Sannino）说。他是意大利那不勒斯费德里科二世大学物理学教授，也是南丹麦大学量子场论中心教授。

研究团队还包括贾科莫·卡恰帕利亚（Giacomo Cacciapaglia），他是法国国家科学研究中心（CNRS）的研究员，任职于巴黎的理论物理与高能实验室（Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Énergies），该实验室由CNRS和索邦大学联合设立。其他贡献者还有曼努埃尔·德尔·皮亚诺（Manuel Del Piano）和瓦尼亚·韦卢奇（Vania Vellucci），两人均来自南丹麦大学量子场论中心。

为什么黑洞通常不能分裂

黑洞分裂的最大障碍之一来自热力学，即研究能量如何表现以及物理系统如何变化的物理学分支。

一个核心概念是熵，它描述一个系统在外部看来保持不变时，可以有多少种不同的微观排列方式。黑洞具有熵，而这一性质对黑洞可能发生什么设置了重要限制。

对于一个不旋转的黑洞而言，分裂成两个较小的黑洞会降低总熵。这种熵的减少使该过程在热力学上不利，从而有助于解释为什么黑洞通常不会分裂。

然而，研究人员发现，当黑洞以极高速度旋转时，情况可能会发生显著变化。

极端旋转可能允许黑洞分裂

研究团队的计算表明，快速旋转可能在通常阻止黑洞分裂的物理规则中打开一个狭窄缺口。原则上，一个旋转得足够快的黑洞可能克服通常的热力学限制。

但还有另一个重大障碍。即使黑洞能够分裂，产生的两个天体也需要彼此远离到足够距离，以避免立刻再次合并。

“但由此产生的两个黑洞还必须能够分离，而不是立刻重新落回一起。当我们把这一要求包括进来时，窗口在很大程度上又关闭了，除非黑洞以接近其最大可能速率旋转，”弗朗切斯科·萨尼诺说。

这项研究不同寻常的标题指的是：如果发生这种分裂，黑洞的边界在空间和时间中会描绘出的形状。这个边界被称为视界，它将一开始表现为单一结构，随后分离成两个不同的分支。

从时间维度来看，由此形成的形状会像一条裤子，上方一部分分成两条“裤腿”。这就是“裤子拓扑”一词背后的想法。

额外维度提供了另一种可能性

研究人员还研究了更不寻常的情形，涉及空间除我们日常生活中经历的三维之外还有额外维度的理论。

物理学家已经在一些此类理论模型中识别出类似黑洞的物体，它们可能变得不稳定并开始分裂。这些可能性表明，在更奇异的条件下，支配黑洞的熟悉规则可能不会以同样方式适用。

在某些情况下，分裂甚至可能在热力学上变得有利，尤其是当产生的两个黑洞中有一个比另一个小得多时。

然而，一个过程被热力学允许或青睐，并不一定意味着它就会发生。研究人员仍需确定这种碎裂能否在物理上发生，以及哪些条件会使它成为可能。

天文学家能否探测到黑洞分裂？

科学家们现在正致力于更好地理解这些事件可能有多大可能性。答案可能取决于超出爱因斯坦理论的引力方面，这使得问题尤其具有挑战性。

“我们目前还不能给出黑洞分裂的单一概率。这取决于引力在爱因斯坦理论之外如何表现，我们正努力对此进行量化。我们预计，小的原初黑洞比大得多的天体物理黑洞更容易分裂。我们或许可以间接探测到分裂：费米-LAT等伽马射线望远镜可以寻找在合并过程中可能形成的微小黑洞碎片的信号，”弗朗切斯科·萨尼诺说。

尽管目前尚无确认的黑洞分裂观测，但探测微小碎片信号的可能性为研究这一想法提供了一条潜在途径。此类证据可能为引宇宙中最极端条件下引力的行为提供宝贵线索。

萨尼诺是量子场论中心（ℏQTC）主任，该中心隶属于南丹麦大学数学与计算机科学系（IMADA）。他还隶属于丹麦高等研究院和那不勒斯费德里科二世大学“埃托雷·潘奇尼”物理系。此外，他还是杜伦大学的访问教授。

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