为了了解宇宙，科学家们会寻找它的异常值。「你总是想知道极端情况——处于边缘的特殊情况，」南安普顿大学（University of Southampton）的数学物理学家
卡斯滕·冈德拉赫（Carsten Gundlach
）说。
黑洞是宇宙中神秘的极端。在它们内部，物质是如此紧密地堆积在一起，以至于根据爱因斯坦的广义相对论，没有任何东西可以逃脱。几十年来，物理学家和数学家一直使用它们来探索他们关于引力、空间和时间的想法的极限。
但即使是黑洞也有边缘情况——这些情况有自己的见解。黑洞在空间中旋转。当物质落入它们体内时，它们开始旋转得更快;如果该物质带电，它们也会带电。原则上，黑洞可以达到一个点，即给定其质量，它拥有尽可能多的电荷或自旋。这样的黑洞被称为「极端」——极端中的极端。
这些黑洞具有一些奇特的特性。特别是，在这种黑洞的边界或事件视界处的所谓表面引力为零。「这是一个黑洞，其表面不再吸引物体，」Gundlach 说。但是，如果你将一个粒子稍微推向黑洞的中心，它将无法逃脱。
1973 年，著名物理学家斯蒂芬·霍金、约翰·巴丁和布兰登·卡特断言，极值黑洞不可能存在于现实世界中——它们根本没有合理的形成方式。尽管如此，在过去的 50 年里，极端黑洞一直是理论物理学中的有用模型。「它们具有良好的对称性，使计算事物变得更加容易，」罗德岛大学（University of Rhode Island）的 Gaurav Khanna 说，这使得物理学家能够测试有关量子力学和引力之间神秘关系的理论。
现在，两位数学家已经证明霍金和他的同事们错了。麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的 克里斯托夫·凯勒（Christoph Kehle ）和斯坦福大学（Stanford University）和加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）的 瑞安·昂格尔（Ryan Unger ）最近 发表了两篇 论文 ，这项新工作表明，我们已知的物理定律中没有任何东西可以阻止极端黑洞的形成。
他们的数学证明「很漂亮，技术上很创新，而且物理上令人惊讶」，普林斯顿大学（Princeton University）的数学家 米哈利斯·达弗莫斯（Mihalis Dafermos ，也是凯勒和昂格尔的博士生导师）说。他补充说，它暗示了一个可能更丰富、更多样化的宇宙，其中「天体物理学上可能存在极端黑洞」。
这并不意味着他们是。「仅仅因为存在具有良好性质的数学解决方案并不一定意味着大自然会利用它，」Khanna 说。「但如果我们以某种方式找到一个，那真的会 [使] 我们思考我们缺少什么。」他指出，这样的发现有可能引发「一些相当激进的问题」。
不可能的法则
在 Kehle 和 Unger 的证明之前，有充分的理由相信极端黑洞不存在。
1973 年，Bardeen、Carter 和 Hawking 提出了关于黑洞行为的四条定律。它们类似于四个长期存在的热力学定律——一组神圣不可侵犯的原则，例如，宇宙会随着时间的推移变得更加无序，能量不能被创造或摧毁。
在他们的论文中，物理学家证明了他们黑洞热力学的前三个定律：零、第一和第二定律。推而广之，他们假设第三定律（就像它的标准热力学对应定律一样）也是正确的，尽管他们还无法证明它。
该定律指出，黑洞的表面引力不可能在有限的时间内降低到零——换句话说，没有办法创造一个极端的黑洞。为了支持他们的说法，这三人认为，任何允许黑洞的电荷或自旋达到极值极限的过程也可能导致其事件视界完全消失。人们普遍认为，没有事件视界的黑洞，称为裸奇点，是不存在的。此外，由于已知黑洞的温度与其表面引力成正比，因此没有表面引力的黑洞也将没有温度。这样的黑洞不会发出热辐射——霍金后来提出黑洞必须这样做。
1986 年，一位名叫 Werner Israel 的物理学家发表了第三定律的 证明 ，似乎解决了这个问题。假设你想从一个常规黑洞创建一个极端黑洞。您可以尝试通过使其旋转得更快或添加更多带电粒子来实现这一点。以色列的证明似乎表明，这样做并不能迫使黑洞的表面引力在有限的时间内下降到零。
正如 Kehle 和 Unger 最终发现的那样，Israel 的论点隐藏了一个缺陷。
第三定律之死
Kehle 和 Unger 并没有着手寻找极端黑洞。他们偶然发现了它们，这完全是偶然的。
他们正在研究带电黑洞的形成。「我们意识到我们可以做到」——制造一个黑洞——「对于所有的电荷质量比，」Kehle 说。这包括电荷尽可能高的情况，这是极端黑洞的标志。
达弗莫斯认识到，他以前的学生已经发现了 Bardeen、Carter 和 Hawking 第三定律的反例：他们已经证明，他们确实可以在有限的时间内将一个典型的黑洞变成一个极端黑洞。
Kehle 和 Unger 从一个不旋转且不带电荷的黑洞开始，并模拟了如果将其放置在称为标量场的简化环境中会发生什么，该环境假设背景是带均匀电荷的粒子。然后，他们用来自磁场的脉冲冲击黑洞，为它增加电荷。
这些脉冲还为黑洞贡献了电磁能，从而增加了它的质量。通过发送漫射的低频脉冲，数学家们意识到他们可以以比质量更快的速度增加黑洞的电荷——这正是他们完成证明所需要的。
在与 Dafermos 讨论结果后，他们仔细研究了以色列 1986 年的证明并确定了他的错误。他们还为爱因斯坦的广义相对论方程构建了另外两个解决方案，这涉及向黑洞添加电荷的不同方法。在三种不同的背景下反驳了 Bardeen、Carter 和 Hawking 的假设之后，这项工作应该毫无疑问地留下来，昂格尔说：「第三定律已经死了。
这对夫妇还表明，极端黑洞的形成不会像物理学家所担心的那样为裸露的奇点打开大门。相反，极端黑洞似乎位于一个临界阈值上：向密集的带电物质云中加入适量的电荷，它就会坍缩形成一个极端黑洞。再加上这些，云层不会坍缩成一个裸露的奇点，而是会消散。根本不会形成黑洞。Kehle 和 Unger 对这个结果和他们证明极端黑洞可能存在一样兴奋。
「这是数学回馈物理学的一个美丽例子，」哥伦比亚大学（Columbia University）的数学家 埃琳娜·乔治（Elena Giorgi ）说。
不可能变得可见
虽然 Kehle 和 Unger 证明了极端黑洞在理论上可能在自然界中存在，但不能保证它们确实存在。
一方面，理论示例具有最大电荷。但从未观察到过带有明显电荷的黑洞。它更有可能看到一个快速旋转的黑洞。Kehle 和 Unger 希望构建一个达到 spin 而不是 charge 的极值阈值的示例。
但是使用 spin 在数学上更具挑战性。「你需要大量的新数学和新想法来做到这一点，」Unger 说。他和 Kehle 才刚刚开始 调查这个问题 。
与此同时，对极端黑洞的更好理解可以为近极端黑洞提供进一步的见解，这些黑洞被认为在宇宙中很丰富。「爱因斯坦不认为黑洞可能是真的，[因为]它们太奇怪了，」Khanna 说。「但现在我们知道宇宙中充满了黑洞。」
出于类似的原因，他补充说，「我们不应该放弃极端黑洞。我只是不想限制大自然的创造力。
