中国科学家：黑洞是一颗困在“黑域”里的星
那里可能并没有奇点。
黑洞想像图。
通常我们认为黑洞的中心是一个奇点，但中国科学家经过研究之后认为有另一种可能。
ESO
我们常说，黑洞中心有一个奇点。
向内越过视界之后，一切都会坠向这个密度无限大的点。
在那里，所有已知的物理学定律都会失效，所有方程式得出的结果都没有意义。
但这与其说是一个答案，倒不如说是一种坦白——它实际上在告诉我们，我们已有的物理学知识在那里抵达了尽头。
近日中国兰州大学的两位研究人员——陈坦和王永强，在一篇论文中表示，他们认为某些黑洞内部可能存在着一种奇异的天体结构，并将这种结构称为“黑洞内的中子星”。
这一猜想和美国理论物理学家Nikodem Poplawski十几年前提出的“黑洞内生宇宙”猜想有相通之处——它们都认为黑洞内没有奇点。
不同的是Poplawski的猜想认为黑洞通过虫洞和另一个宇宙的白洞——也就是“平行世界”的宇宙大爆炸相连。
而在兰大科学家2025年提出的一个新构想里，某种形态奇异的暗物质若能排列成晕状，并且在其压力和密度之间建立起某种特定的关系，就会形成一种中心没有奇点的黑洞。
在这样的黑洞里，已知的物理学定律依然有效。
而这一次研究人员进一步设想，如果这个暗物质晕的中心有一颗中子星，那么整个体系又会如何演化？中子星是会被吞噬，还是能够达成某种平衡？
中子星是大质量恒星停止聚变爆发成超新星后留下的内核残骸，密度极高。
一匙中子星物质的质量相当于十座珠穆朗玛峰。
但是尽管如此，中子星的极端性依然不如黑洞。
研究人员使用恒星结构标准方程求得了一个独特的解。
他们发现，在暗物质晕密度低于某个阈值的情况下，整个体系并不会发生显著的变化——此时的中子星依然会稳稳地端坐在暗物质云的中心，只是形态会被略微压扁；在晕的密度高于某一特定阈值的情况下，整个体系会发生坍缩，此时方程式没有稳定的解。
然而当暗物质晕密度处于这两者之间时，奇怪事情就会发生。
模型显示，如果这是一颗半径约8.5千米的中子星，那么此时从距离中子星中心开始向外大约10至12千米处的时空会发生突变，形成一个几何结构翻转的壳层。
这个壳层具备黑洞视界的所有特征。
它隔绝了内外，形成了一个类似“黑域”的奇异时空结构，能够把进入其中的一切，包括光和信息，都永久地封锁在里面。
但这个视界并非由奇点产生。
其内部实际上包裹了一颗中子星，而且这颗中子星和普通的中子星本质上没什么两样。
该模型的要点在于无需坍缩的介入。
形成视界的引力是由中子星和暗物质晕共同提供的，且参与的暗物质质量与这颗中子星的质量相当。
研究人员使用两种不同的中子星物质描述方式得出了相同的结果，表明该结果并不依赖于某一特定假设。
不过，要使该假说成立，所需的暗物质密度远超当前学界预期。
所以它更像是一个思想实验。
它的意义在于宣示了黑洞内部并非物理学的终点，并向我们展示了黑洞内部结构的一种可能——那里有物存在，而不是只有虚无和概念。
参考
A Neutron Star Hidden Inside a Black Hole
https://dx.doi.org/10.48550/arxiv.2608.06224
孩子问黑洞是什么？这本《跟着霍金看宇宙》真的能讲明白
你有没有过这种经历——忙完一天刚想歇口气，孩子突然凑过来问一句："妈妈，黑洞真的能把东西吸进去吗？宇宙到底有多大呀？太阳为什么会发光？" 我每次被问到这类问题，都是一脸懵。说实话，我自己上学那会儿物理就没学明白，时间、空间、引力这些概念，脑子里只剩一团浆糊。
想给孩子讲几句吧，又怕讲错了、误人子弟；不讲吧，又不想打击孩子的好奇心。
尤其现在孩子上了小学中高年级，对科学的好奇心正是最旺盛的时候。
每天追着问"为什么"，那股劲儿其实特别珍贵。
可咱们当家长的，确实不是万能的百科全书，很多科普知识自己都搞不清楚，更别说用孩子能听懂的话讲出来了。
我一开始也想给孩子买书，结果在书店翻了半天，越翻越没底。
那些宇宙科普书，要么是密密麻麻的专业术语，孩子翻两页就没了兴趣；要么图倒是漂亮，讲得却浮于表面，读完啥也没记住。
后来一个当老师的朋友给我推荐了一本《跟着霍金看宇宙》，我拿到手自己先翻了一遍，还真被惊艳到了。
这本书最大的好处，就是它真的站在孩子的认知水平上去讲宇宙，一点不端着。
先说它怎么讲黑洞。
书里没有上来就甩一堆公式，而是从霍金爷爷是怎么发现黑洞、怎么理解黑洞讲起，用特别形象的比喻，让孩子能"看见"黑洞在做什么。
我家孩子看完竟然主动跟我讲"黑洞就像宇宙里的贪吃怪"，虽然不太准确，但那股理解和记忆的劲儿，可比死记硬背强太多了。
再说时间旅行这个更抽象的话题。
很多成年人一听都觉得玄乎，但这本书把它讲得特别接地气。
孩子看完恍然大悟，还跟我说"原来时间也会被引力拉慢呀"。
这种孩子能亲口讲出来的理解，正是我最看重的。
我觉得这本书特别适合几类孩子。
一种是那种天生爱问"为什么"、对天文特别感兴趣的孩子，能给他们一个很扎实的入门；另一种是平时不太爱看书、觉得科学枯燥的孩子，这本书的讲述方式能让他们重新觉得"原来科学这么有意思"；还有一种就是咱们这些想陪孩子一起读、却自己也不太懂的家长，带着孩子一起看，正好补补课，还能顺便聊聊天。
书里的插图也很用心，结构清晰，读起来完全不费劲。
我家孩子现在每天睡前都要主动翻几页，还经常跑来给我"讲课"。
这种亲子共读的时光，可比看平板刷手机有意义多了。
而且这本书的定价也很实在，几十块钱就能给孩子打开一扇望向宇宙的窗，让孩子知道霍金爷爷那些听起来高深的理论，其实离我们并不遥远。
如果你也在为孩子选一本靠谱的宇宙科普入门书，或者发愁怎么跟孩子聊"时间""空间""黑洞"这些话题，我真的挺推荐这一本的。
能让孩子主动读、读得懂、还愿意开口讲的科普书，说实话真不多见。
趁着孩子对宇宙的好奇心正热乎，早一点给他一本合适的读物，早点点燃那颗探索的小火苗，说不定就种下了他未来仰望星空的种子呢。
这本书我自己翻过一遍，之所以敢放心推荐，还有一个很重要的原因——它讲科学，却不只是把知识倒给孩子，而是带着一种"陪孩子一起好奇"的温度。
霍金爷爷那套关于宇宙的想法，在书里被讲得既严谨又好懂，孩子读着不觉得吃力，家长陪着读也不觉得枯燥。
很多家长会纠结，孩子这么小，看这种书是不是太早了？其实恰恰相反，越早接触，越能在孩子心里种下对科学的好感。
等将来上了中学真正学物理的时候，孩子想起小时候读过的这本书，那些抽象的概念就会变得亲切起来，学起来也更省力。
如果要说一点小小的不足，那就是这本书需要家长稍微陪读几页，帮孩子把节奏带起来。
不过一旦孩子自己入了迷，后面你就会发现他根本停不下来了，天天追着你讨论外星人存不存在、宇宙有没有尽头。
总的来说，一本能让孩子主动去翻、读得懂又愿意开口讲的宇宙科普书，真的很难得。
如果你也想让孩子在这个好奇心爆棚的年纪，接触一点真正有意思、也有营养的知识，这本《跟着霍金看宇宙》是个非常不错的开始。
趁孩子这份好奇心还在，早一点把这本书带回家，说不定哪一天，他抬起头看星空的眼神，就不一样了。
科学家重现神秘量子效应，让粒子完全静止
一个粒子不需要穿过磁场就能受到磁场的影响。这一令人惊讶的量子物理现象，如今已被牛津大学的研究人员重新验证。
他们利用一台混合量子计算机，演示了一种看不见的磁性影响如何能让模拟粒子的运动完全停止。
这项实验重现了一种被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应的现象：当一个带电粒子环绕某一包含磁通量的区域运动时，即便其运动路径从未穿过磁场本身，其量子态也会发生可测量的变化。
牛津团队通过一套结合了量子比特（量子信息的基本单元）与量子振荡器（代表振动运动）的量子系统实现了这一实验。
他们的研究成果发表在《自然·物理学》期刊上，展示了这种组合如何帮助科学家研究物质与场之间的基本相互作用，而这类问题用传统计算机模拟起来正变得愈发困难。
1959年预言的奇特量子效应 在日常物理学中，带电粒子会对其所遇到的电场和磁场作出反应。
然而，量子力学揭示了粒子的某些行为方式，在我们的日常经验中找不到对应的解释。
1959年，物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和戴维·玻姆预言，即便一个带电粒子的运动路径完全处在磁场区域之外，它仍然会受到磁通量的影响。
粒子不会沿路径经历传统意义上的磁力作用，而是其量子相位会发生变化。
量子相位描述的是粒子波动行为的一个方面，它影响着不同可能路径之间如何相互干涉。
虽然相位本身无法直接观测，但相位的差异能够产生可测量的效果。
这一预言后来被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应，并最终在涉及真实电子的实验中得到了验证。
它至今仍是证明量子世界遵循超越经典物理学常规法则的最清晰例证之一。
如今，研究人员正在探索这一现象在更复杂的理论系统——晶格规范理论中的表现。
这类理论描述了物质如何与基本力相关的场发生相互作用。
它们将空间表示为一个网格，物质位于各个独立的点上，而场则与各点之间的连接相关联。
这类模型在粒子物理学和高能物理学中尤为重要，科学家借此研究构成宇宙的基本粒子及其相互作用。
挑战在于，随着这些系统变得越来越复杂，其数学计算难度也会急剧上升。
即便是强大的传统计算机，也难以计算所有相互作用的组成部分是如何演化的。
量子计算机提供了一种不同的思路。
科学家无需试图用经典计算方法来计算量子系统的方方面面，而是可以构建另一个遵循相同底层规则的量子系统，然后直接观察其行为——这种方法被称为量子模拟。
科学家如何搭建这项量子实验 这个牛津项目始于2022年，由主要作者塞巴斯蒂安·萨纳博士、奥安娜·巴扎万博士及其同事发起，他们着手开发一种利用混合量子系统模拟晶格规范理论的方法。
他们还与马德里理论物理研究所的亚历杭德罗·贝尔穆德斯博士展开了合作。
他们的实验设计依靠两种执行不同功能的量子组件。
第一种组件由编码在被困离子（通过电磁场固定位置的带电原子）内部状态中的量子比特构成。
这些量子比特代表了理论模型中的规范场。
第二种组件则利用这些被困离子自身振动所产生的量子振荡器。
这些振荡器代表的是物质。
通过将两者结合，研究人员构建出了一个简单的环路，作为晶格规范理论的基本构建单元。
两个振荡器代表位于两个不同位置的物质，而两个量子比特则代表连接这两个位置的场。
尽管这套装置规模很小，但已足以重现物质与磁通量之间的重要相互作用。
量子纠缠带来意外解决方案 接下来，研究人员将两个量子比特置于一种纠缠的量子态中。
量子纠缠是一种量子系统以无法用经典物理学完全解释的方式相互关联的现象。
在该团队模拟的晶格规范理论中，这种纠缠态代表了穿过环路中心的磁通量。
最初，研究人员曾计划将磁通量作为一种固定的背景条件引入系统。
然而，创造出所需的相互作用需要他们的量子硬件所不具备的能力。
将磁通量直接编码进量子比特中，提供了一种切实可行的替代方案。
更重要的是，这使得磁通量能够成为这个演化中的量子系统的一部分，而不再是一种保持不变的外部影响因素。
“对我们而言，令人兴奋的一步是将磁通量编码进一个本身具有动态性的规范场中，”萨纳博士说道，“物质不再是在一个固定的背景中演化，而是物质与规范场成为了同一量子动力学过程的组成部分。
” 最初只是一种技术上的权宜之计，最终却让研究人员得以探索这一现象更有趣的版本——即物质与场能够共同参与量子动力学过程。
让粒子运动停止的量子效应 搭建好模拟环路后，科学家们研究了物质粒子如何通过一种被称为量子隧穿的过程在各位置之间移动。
量子隧穿使粒子能够以在普通经典规则下不可能实现的方式，在不同状态之间转移。
当研究人员在没有磁通量的情况下运行模拟时，粒子可以在环路中自由隧穿。
而引入模拟的磁通量后，结果截然不同。
粒子沿环路存在两条可能的路径，但磁通量改变了这两条路径的相对量子相位。
结果，这两条路径发生了相消干涉，意味着它们的量子贡献相互抵消了。
这种干涉完全抑制了隧穿效应，使模拟粒子被“冻结”在了原始状态中。
这一结果证明了在含有动态场的晶格规范理论中存在阿哈罗诺夫-玻姆效应。
这项实验不只是简单重现了粒子围绕固定磁性影响运动的常见行为，还展示了当物质与场都由相互作用的量子组件来表示时，这种现象是如何涌现出来的。
探索基础物理学的全新工具 牛津的这项研究成果与马里兰大学诺伯特·林克教授团队的一项相关研究同期发表。
马里兰团队同样使用了混合量子系统，但他们的实验侧重于模拟汤川势——一种描述核物理与粒子物理相关相互作用的数学模型。
尽管这两个研究团队各自独立开发出了自己的方法，但他们后来协调一致，将各自的研究共同提交给了《自然·物理学》期刊。
这两项实验共同表明，混合量子计算机有望成为研究那些难以用经典模拟方法重现的基本相互作用的重要工具。
通过组合不同类型的量子组件，研究人员可以构建出能够更贴近地反映所研究物理过程的系统，让物质与场以更接近真实情况的方式呈现出来。
牛津的这项实验正是这种潜力的一个例证。
一个在1959年首次被预言、后来通过电子实验得以观测的现象，如今已在一台量子模拟器中被重新实现——在这台模拟器中，场本身也参与到了动力学过程之中，这为科学家探索支配量子世界的奇特法则提供了又一种全新途径。
Q&A Q1：阿哈罗诺夫-玻姆效应是什么？ A：阿哈罗诺夫-玻姆效应是指一个带电粒子在环绕某一包含磁通量的区域运动时，即便其路径从未穿过磁场本身，其量子态也会发生可测量变化的现象。
这一效应由物理学家雅基尔·阿哈罗诺夫和戴维·玻姆于1959年预言，并已在真实电子实验中得到验证。
Q2：牛津大学的研究人员是如何重现这一效应的？ A：研究人员使用了一台混合量子计算机，结合了代表规范场的量子比特和代表物质的量子振荡器，构建出一个简单的环路模型。
通过将量子比特置于纠缠态来代表磁通量，他们成功观察到磁通量导致粒子两条可能路径发生相消干涉，从而完全抑制了量子隧穿现象。
Q3：这项研究对未来的科学研究有什么意义？ A：这项研究表明，混合量子计算机可以成为研究物质与场之间基本相互作用的有力工具，尤其适用于晶格规范理论等用传统计算机难以模拟的复杂系统，为粒子物理学和高能物理学研究提供了新的实验途径。
