[论文解读] Non-occurrence of trapped surfaces and Black Holes in spherical gravitational collapse: An abridged version

Abhas Mitra|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文主张，在广义相对论框架下，即使在理想化条件下，球对称引力坍缩也不会形成 trapped surfaces（束缚面）或黑洞。通过使用相对论流体力学重新分析坍缩动力学，并纠正 Oppenheimer-Snyder 模型中的错误，本文表明质量-能量在无限固有时空中被完全辐射出去，最终达到零质量态，且不形成事件视界，从而否定了标准奇点定理，并解决了黑洞物理中长期存在的悖论。

ABSTRACT

We have shown in that for arbitrary EOS and radiation transport properties, (even) the idealized spherical gravitational collapse DOES NOT lead to the formation of trapped surfaces: 2GM(r,t)/R <=1. Hence all singularity theorems of Hawking, Penrose and Geroch, built on the assumption of formation of trapped surfaces, get invalidated! And this inequality, demands that M->0 if indeed R->0. We have shown that the final state corresponds to a zero mass BH state and, this state would occur only after infinite proper time indicating that GR is indeed the only naturally singularity free theory for isolated bodies (as was cherished by Einstein). This M->0 state would materialize after the body radiates its entire initial mass-energy. Thus there is no event horizon at any finite R or M, and, therefore all the great theoretical confusions like whether there could be (i) White Holes, (ii) whether t (R) becomes spacelike (timelike) inside the EH (iii) Loss of information in gravitational collapse, and (iv) validity of cosmic censorship conjecture get resolved. At any finite proper time, the collapsed object would be either static (z<2) or may appear static (R almost frozen) though, in extreme cases, internally, in terms of proper radial length, it might be collapsing at a speed ~c! We call the latter as Eternally Collapsing Objects.

研究动机与目标

• 挑战标准结论：即球对称引力坍缩必然形成束缚面与黑洞。
• 使用相对论流体力学与校正后的能量-动量守恒重新表述坍缩动力学，避免依赖 Oppenheimer-Snyder 模型的假设。
• 证明在任意物态方程与辐射传输条件下，广义相对论下束缚面（2GM/R ≤ 1）的形成是不可能的。
• 通过证明事件视界从未形成，解决信息丢失、白洞与宇宙审查等理论悖论。
• 确立最终态为零质量物体，仅在无限固有时空中达成，表明孤立系统下广义相对论本质上是无奇点的。

提出的方法

• 使用相对论流体力学与能量-动量守恒重新表述球对称坍缩，确保流体速度始终小于 c。
• 分析施瓦茨希尔德坐标系中的度规，表明其在所谓事件视界处变为零化，说明无法形成物理的时空结构。
• 将分析扩展至 Kruskal 坐标系，确认度规在视界处仍保持零化，强化了束缚面不会形成的结论。
• 识别并纠正原始 Oppenheimer-Snyder 论文中关于坍缩流体中束缚面形成的关键错误。
• 应用条件 2GM(r,t)/R ≤ 1 必须在所有时刻成立，该条件迫使 M → 0 当 R → 0，从而阻止黑洞形成。
• 使用论证：坍缩完成需无限固有时，导致形成永恒坍缩物体（ECO）态，质量为零。

实验结果

研究问题

• RQ1 在广义相对论下，无论物态方程或辐射传输如何，球对称引力坍缩中束缚面是否可能形成？
• RQ2 标准的 Oppenheimer-Snyder 模型是否正确预测了黑洞形成？其推导中是否存在根本性缺陷？
• RQ3 若束缚面未形成且坍缩无限持续，坍缩物体的质量-能量将如何变化？
• RQ4 若事件视界未形成，是否可解决信息丢失悖论与白洞本质等疑问？
• RQ5 正如爱因斯坦所设想，广义相对论是否本质上对孤立、球对称物体是无奇点的？

主要发现

• 在广义相对论下，无论物态方程或辐射传输性质如何，球对称引力坍缩中束缚面均不会形成。
• 条件 2GM(r,t)/R ≤ 1 始终满足，但该条件导致 M → 0 当 R → 0，从而阻止黑洞形成。
• 坍缩的最终态为零质量物体，仅在无限固有时空中达成，表明在任何有限时间或半径下均不会形成事件视界。
• 坍缩导致永恒坍缩物体（ECO）的形成，其外观可能因极端时间膨胀而表现为静态，但在固有时径向距离上仍以接近 c 的速度持续坍缩。
• Hawking、Penrose 与 Geroch 的所有奇点定理均被推翻，因其依赖于束缚面的形成，而束缚面实际上并未发生。
• 信息丢失、白洞与宇宙审查等理论悖论均不再相关，因事件视界从未形成。