當(dāng)空間變成時間，黑洞內(nèi)部會發(fā)生什么？

2025年，一個叫奧維迪烏·拉科雷安的物理學(xué)家坐在辦公室里，盯著滿黑板的方程式。

他正在做一件聽起來很瘋狂的事：把黑洞里的時間和空間對調(diào)。

"如果我把時間當(dāng)成空間，把空間當(dāng)成時間會怎樣？"他自言自語。

你以為這是什么科幻小說的情節(jié)？不是。這是《物理快報(bào)B》剛剛發(fā)表的一項(xiàng)真實(shí)研究。

而且這個瘋狂的想法，竟然真的成功了。

拉科雷安研究的是BTZ黑洞，一種存在于三維時空中的黑洞模型。聽起來很抽象？沒關(guān)系，你只需要知道一件事：這個黑洞比我們熟悉的四維黑洞簡單得多，但包含了黑洞的所有核心秘密。

就像用樂高積木搭建筑模型一樣，BTZ黑洞雖然簡化，但能讓我們理解真實(shí)黑洞的運(yùn)行機(jī)制。

然后拉科雷安做了一個大膽的實(shí)驗(yàn)：他把BTZ黑洞的時間和空間坐標(biāo)完全顛倒。

聽起來很抽象？想象一下你在看地圖時突然把地圖倒過來，東西南北全都顛倒了。拉科雷安就是這樣對待黑洞的時空結(jié)構(gòu)的。

結(jié)果呢？

他發(fā)現(xiàn)了一個全新的黑洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

在傳統(tǒng)的黑洞理論中，當(dāng)你越過事件視界進(jìn)入黑洞內(nèi)部時，時間和空間會發(fā)生奇怪的角色互換。原本流逝的時間變得像空間維度一樣，而空間坐標(biāo)開始表現(xiàn)得像時間。

但拉科雷安的發(fā)現(xiàn)更驚人：當(dāng)他故意把這種角色互換推到極致時，黑洞內(nèi)部竟然展現(xiàn)出了一個與外部驚人相似的幾何結(jié)構(gòu)，只不過時間和空間完全顛倒了。

就像照鏡子一樣，黑洞的內(nèi)部和外部形成了某種奇異的對稱。

"這簡直太不可思議了，"拉科雷安后來回憶，"就像走進(jìn)一扇門，突然發(fā)現(xiàn)左右顛倒了，但整個房間的布局卻完全一樣。"

但故事到這里才剛開始。

傳統(tǒng)上，物理學(xué)家用一個叫"熱場雙態(tài)"的數(shù)學(xué)工具來描述黑洞。這個工具把黑洞想象成兩個糾纏的量子系統(tǒng)，就像一對心有靈犀的雙胞胎，一個在黑洞外部，一個在黑洞內(nèi)部。

但拉科雷安發(fā)現(xiàn)，一個熱場雙態(tài)根本不夠。

他需要兩個。

第一個熱場雙態(tài)描述傳統(tǒng)的黑洞外部區(qū)域，第二個則描述他新發(fā)現(xiàn)的、時空顛倒的內(nèi)部區(qū)域。更神奇的是，這兩個量子態(tài)竟然可以相互"對話"，就像兩個平行宇宙之間架起了一座橋梁。

"這就像發(fā)現(xiàn)了黑洞的另一個人格，"拉科雷安說，"一個完整的黑洞需要兩個量子態(tài)才能完全描述。"

然后他計(jì)算了整個系統(tǒng)的配分函數(shù)——這是量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)中用來描述系統(tǒng)所有可能狀態(tài)的數(shù)學(xué)工具。

結(jié)果讓他大吃一驚。

這個配分函數(shù)描述的不是普通的時空，而是一個"不可定向"的時空。

什么叫不可定向？想象一個莫比烏斯帶，你沿著它的表面走，走著走著就會發(fā)現(xiàn)自己走到了"背面"，但實(shí)際上這個帶子根本沒有正面和背面的區(qū)別。

拉科雷安發(fā)現(xiàn)的黑洞時空就是這樣：你無法在整個時空中一致地定義"左"和"右"、"上"和"下"。

這徹底顛覆了傳統(tǒng)的引力理論假設(shè)。

在經(jīng)典的廣義相對論中，物理學(xué)家一直假設(shè)時空是可定向的，就像我們生活的三維空間一樣，你總能區(qū)分左右、前后、上下。

但拉科雷安證明，至少對于某些黑洞來說，這個假設(shè)是錯誤的。

最讓人興奮的是什么？

拉科雷安發(fā)現(xiàn)，他的黑洞配分函數(shù)與凝聚態(tài)物理中的拓?fù)洳蛔兞坑兄@人的聯(lián)系。

拓?fù)洳蛔兞渴鞘裁矗亢唵握f，就是那些在系統(tǒng)發(fā)生連續(xù)變化時保持不變的數(shù)學(xué)量。就像一個甜甜圈，無論你怎么拉伸、壓縮，它中間的洞永遠(yuǎn)是一個洞，這個"洞的數(shù)量"就是拓?fù)洳蛔兞俊?/p>

在凝聚態(tài)物理中，科學(xué)家用這些不變量來分類各種奇異的量子物態(tài)，特別是那些受對稱性保護(hù)的拓?fù)湎唷?/p>

拉科雷安發(fā)現(xiàn)，他的黑洞時空幾何和配分函數(shù)，竟然自然地連接到了這些拓?fù)洳蛔兞可稀?/p>

這意味著什么？

這意味著黑洞的量子態(tài)可能與某些奇異的量子材料有著深層的數(shù)學(xué)聯(lián)系。

"就像突然發(fā)現(xiàn)兩個完全不相關(guān)的領(lǐng)域在講同一種語言，"拉科雷安說，"引力、黑洞和量子材料，原來在數(shù)學(xué)上是如此相似。"

這個發(fā)現(xiàn)不僅僅是理論上的突破。

它為我們理解黑洞內(nèi)部、量子引力和時空的本質(zhì)提供了全新的工具。更重要的是，它在黑洞物理學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)之間架起了一座前所未有的橋梁。

現(xiàn)在，拉科雷安正在思考更深層的問題：如果黑洞內(nèi)部真的像拓?fù)淞孔硬牧弦粯樱敲次覀兪欠衲苡醚芯苛孔硬牧系姆椒▉砝斫夂诙矗?/p>

反過來，黑洞的性質(zhì)是否也能指導(dǎo)我們設(shè)計(jì)新的量子材料？

"這只是開始，"拉科雷安說，"當(dāng)你把時空顛倒過來看，整個宇宙都變得不一樣了。"

他的研究還有一個更深遠(yuǎn)的哲學(xué)含義：它挑戰(zhàn)了我們對時空本質(zhì)的基本認(rèn)知。

在我們的日常經(jīng)驗(yàn)中，時間就是時間，空間就是空間，二者涇渭分明。但在黑洞的極端環(huán)境中，這種區(qū)分變得模糊甚至顛倒。

拉科雷安的工作表明，這種時空角色的互換不是例外，而是理解黑洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

更令人興奮的是，這種時空對偶性可能在其他極端物理環(huán)境中也存在，比如宇宙的早期，或者某些高能物理實(shí)驗(yàn)中。

如果真是這樣，那么拉科雷安的發(fā)現(xiàn)不僅改變了我們對黑洞的理解，還可能重寫我們對整個宇宙的認(rèn)知。

想象一下：在某些情況下，我們習(xí)以為常的時空結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生根本性的顛倒。時間可能表現(xiàn)得像空間，空間可能表現(xiàn)得像時間。

這聽起來像科幻小說，但根據(jù)拉科雷安的計(jì)算，這在數(shù)學(xué)上是完全可能的。

現(xiàn)在的問題是：我們的宇宙中是否真的存在這樣的區(qū)域？

如果存在，它們會如何影響我們對物理定律的理解？

拉科雷安的工作已經(jīng)開始激發(fā)其他物理學(xué)家的思考。有人在研究類似的時空對偶性是否存在于四維黑洞中；有人在探索這種現(xiàn)象在宇宙學(xué)中的應(yīng)用；還有人在思考如何在實(shí)驗(yàn)室中模擬這種時空顛倒現(xiàn)象。

"科學(xué)就是這樣，"拉科雷安說，"一個瘋狂的想法可能會打開一扇全新的門。"

他的故事告訴我們：有時候，最重要的發(fā)現(xiàn)來自于敢于質(zhì)疑最基本的假設(shè)。

時間和空間看起來如此不同，以至于我們從來不會想到顛倒它們。但當(dāng)拉科雷安這么做時，他發(fā)現(xiàn)了黑洞隱藏的另一面。

也許這就是科學(xué)的魅力：它總是在最意想不到的地方，給我們最驚人的答案。

而拉科雷安的發(fā)現(xiàn)，只是這個奇妙旅程的開始。

（參考：DOI: 10.1016/j.physletb.2025.139767）