為了了解宇宙，科學家們會尋找它的異常值。「你總是想知道極端情況——處於邊緣的特殊情況，」南安普頓大學（University of Southampton）的數學物理學家
卡斯滕·岡德拉赫（Carsten Gundlach
）說。
黑洞是宇宙中神秘的極端。在它們內部，物質是如此緊密地堆積在一起，以至於根據愛因史坦的廣義相對論，沒有任何東西可以逃脫。幾十年來，物理學家和數學家一直使用它們來探索他們關於重力、空間和時間的想法的極限。
但即使是黑洞也有邊緣情況——這些情況有自己的見解。黑洞在空間中旋轉。當物質落入它們體內時，它們開始旋轉得更快;如果該物質帶電，它們也會帶電。原則上，黑洞可以達到一個點，即給定其品質，它擁有盡可能多的電荷或自旋。這樣的黑洞被稱為「極端」——極端中的極端。
這些黑洞具有一些奇特的特性。特別是，在這種黑洞的邊界或事件視界處的所謂表面重力為零。「這是一個黑洞，其表面不再吸引物體，」Gundlach 說。但是，如果你將一個粒子稍微推向黑洞的中心，它將無法逃脫。
1973 年，著名物理學家史帝芬·霍金、約翰·巴丁和布蘭登·卡特斷言，極值黑洞不可能存在於現實世界中——它們根本沒有合理的形成方式。盡管如此，在過去的 50 年裏，極端黑洞一直是理論物理學中的有用模型。「它們具有良好的對稱性，使計算事物變得更加容易，」羅德島大學（University of Rhode Island）的 Gaurav Khanna 說，這使得物理學家能夠測試有關量子力學和重力之間神秘關系的理論。
現在，兩位數學家已經證明霍金和他的同事們錯了。麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）的 凱瑞斯托夫·凱勒（Christoph Kehle ）和史丹佛大學（Stanford University）和加州大學柏克萊分校（University of California， Berkeley）的 瑞安·昂格爾（Ryan Unger ）最近 發表了兩篇 論文 ，這項新工作表明，我們已知的物理定律中沒有任何東西可以阻止極端黑洞的形成。
他們的數學證明「很漂亮，技術上很創新，而且物理上令人驚訝」，普林斯頓大學（Princeton University）的數學家 米哈利斯·達弗莫斯（Mihalis Dafermos ，也是凱勒和昂格爾的博士生導師）說。他補充說，它暗示了一個可能更豐富、更多樣化的宇宙，其中「天體物理學上可能存在極端黑洞」。
這並不意味著他們是。「僅僅因為存在具有良好性質的數學解決方案並不一定意味著大自然會利用它，」Khanna 說。「但如果我們以某種方式找到一個，那真的會 [使] 我們思考我們缺少什麽。」他指出，這樣的發現有可能引發「一些相當激進的問題」。
不可能的法則
在 Kehle 和 Unger 的證明之前，有充分的理由相信極端黑洞不存在。
1973 年，Bardeen、Carter 和 Hawking 提出了關於黑洞行為的四條定律。它們類似於四個長期存在的熱力學定律——一組神聖不可侵犯的原則，例如，宇宙會隨著時間的推移變得更加無序，能量不能被創造或摧毀。
在他們的論文中，物理學家證明了他們黑洞熱力學的前三個定律：零、第一和第二定律。推而廣之，他們假設第三定律（就像它的標準熱力學對應定律一樣）也是正確的，盡管他們還無法證明它。
該定律指出，黑洞的表面重力不可能在有限的時間內降低到零——換句話說，沒有辦法創造一個極端的黑洞。為了支持他們的說法，這三人認為，任何允許黑洞的電荷或自旋達到極值極限的過程也可能導致其事件視界完全消失。人們普遍認為，沒有事件視界的黑洞，稱為裸奇異點，是不存在的。此外，由於已知黑洞的溫度與其表面重力成正比，因此沒有表面重力的黑洞也將沒有溫度。這樣的黑洞不會發出熱放射線——霍金後來提出黑洞必須這樣做。
1986 年，一位名叫 Werner Israel 的物理學家發表了第三定律的 證明 ，似乎解決了這個問題。假設你想從一個常規黑洞建立一個極端黑洞。您可以嘗試透過使其旋轉得更快或添加更多帶電粒子來實作這一點。以色列的證明似乎表明，這樣做並不能迫使黑洞的表面重力在有限的時間內下降到零。
正如 Kehle 和 Unger 最終發現的那樣，Israel 的論點隱藏了一個缺陷。
第三定律之死
Kehle 和 Unger 並沒有著手尋找極端黑洞。他們偶然發現了它們，這完全是偶然的。
他們正在研究帶電黑洞的形成。「我們意識到我們可以做到」——制造一個黑洞——「對於所有的電荷品質比，」Kehle 說。這包括電荷盡可能高的情況，這是極端黑洞的標誌。
達弗莫斯認識到，他以前的學生已經發現了 Bardeen、Carter 和 Hawking 第三定律的反例：他們已經證明，他們確實可以在有限的時間內將一個典型的黑洞變成一個極端黑洞。
Kehle 和 Unger 從一個不旋轉且不帶電荷的黑洞開始，並模擬了如果將其放置在稱為純量場的簡化環境中會發生什麽，該環境假設背景是帶均勻電荷的粒子。然後，他們用來自磁場的脈沖沖擊黑洞，為它增加電荷。
這些脈沖還為黑洞貢獻了電磁能，從而增加了它的品質。透過發送漫射的低頻脈沖，數學家們意識到他們可以以比品質更快的速度增加黑洞的電荷——這正是他們完成證明所需要的。
在與 Dafermos 討論結果後，他們仔細研究了以色列 1986 年的證明並確定了他的錯誤。他們還為愛因史坦的廣義相對論方程式構建了另外兩個解決方案，這涉及向黑洞添加電荷的不同方法。在三種不同的背景下反駁了 Bardeen、Carter 和 Hawking 的假設之後，這項工作應該毫無疑問地留下來，昂格爾說：「第三定律已經死了。
這對夫婦還表明，極端黑洞的形成不會像物理學家所擔心的那樣為裸露的奇異點開啟大門。相反，極端黑洞似乎位於一個臨界閾值上：向密集的帶電物質雲中加入適量的電荷，它就會塌縮形成一個極端黑洞。再加上這些，雲層不會塌縮成一個裸露的奇異點，而是會消散。根本不會形成黑洞。Kehle 和 Unger 對這個結果和他們證明極端黑洞可能存在一樣興奮。
「這是數學回饋物理學的一個美麗例子，」哥倫比亞大學（Columbia University）的數學家 艾琳娜·喬治（Elena Giorgi ）說。
不可能變得可見
雖然 Kehle 和 Unger 證明了極端黑洞在理論上可能在自然界中存在，但不能保證它們確實存在。
一方面，理論範例具有最大電荷。但從未觀察到過帶有明顯電荷的黑洞。它更有可能看到一個快速旋轉的黑洞。Kehle 和 Unger 希望構建一個達到 spin 而不是 charge 的極值閾值的範例。
但是使用 spin 在數學上更具挑戰性。「你需要大量的新數學和新想法來做到這一點，」Unger 說。他和 Kehle 才剛剛開始 調查這個問題 。
與此同時，對極端黑洞的更好理解可以為近極端黑洞提供進一步的見解，這些黑洞被認為在宇宙中很豐富。「愛因史坦不認為黑洞可能是真的，[因為]它們太奇怪了，」Khanna 說。「但現在我們知道宇宙中充滿了黑洞。」
出於類似的原因，他補充說，「我們不應該放棄極端黑洞。我只是不想限制大自然的創造力。
