霍金的黑洞猜想遭到挑戰:黑洞可能長了“毛”
2021年02月21日11:39

  來源:環球科學

圖片來源:D. COE, J. ANDERSON和R. VAN DER MAREL(太空望遠鏡科學研究所),美國宇航局,歐洲航天局
圖片來源:D. COE, J. ANDERSON和R. VAN DER MAREL(太空望遠鏡科學研究所),美國宇航局,歐洲航天局

  撰文 | 王昱

  審校 | 吳非

  雙胞胎之間的差異遠遠大於黑洞之間的差異。雙胞胎可能擁有相同的基因藍本,但是他們卻能在氣質、外貌甚至是髮型上,展現出各自的差異。但對於黑洞,根據愛因斯坦的引力理論,只能擁有三個特徵——質量、自旋和電荷。如果兩個黑洞的這些值都相同的話,就不可能區分兩個黑洞。黑洞上面沒有能讓我們區分它們的“毛髮”,這就是著名的黑洞無毛定理。

  哈佛大學理論物理學家保羅·切斯勒(Paul Chesler)說:“在經典廣義相對論中,它們是完全一樣的,你不可能找到任何區別。”

  接連浮現的問題

  然而,科學家們已經開始考慮無毛定理是否完全正確。2012年,當時在劍橋大學(現在任職於多倫多大學)的數學家斯特凡諾斯· 阿雷塔基斯(Stefanos Aretakis)提出,一些黑洞在其事件視界中可能具有不穩定性。這些不穩定性將會在事件視界上的某些區域中產生更強的引力,讓原本全同的黑洞變得可以區分。

  然而,他的方程僅僅適用於極端黑洞,即質量、自旋和電荷這3個特徵中,有一個是理論上的最大值。據我們所知,“這些黑洞不可能存在,或者確切地說,不可能自然存在。”切斯勒說。

  但如果一個黑洞,其中一個屬性值逼近極端值,卻沒有達到極端值呢?例如,近日國家天文台等對天鵝座X1(Cygnus X-1)的精確測量結果顯示,其中黑洞的自旋參數已經大於0.95,非常接近理論極限值1(換種說法,該黑洞的自轉速度大於光速的95%)。那這樣接近極限卻還沒有達到極限的黑洞,會有可檢測到的違背無毛定理的行為嗎?

天鵝座X1想像圖(圖片來源:國家天文台、國際射電天文研究中心)
天鵝座X1想像圖(圖片來源:國家天文台、國際射電天文研究中心)

  並非鏡花水月

  上個月底在《物理評論D》雜誌上發表的一篇論文表示,的確可能會有這樣的行為。此外,這種“毛髮”可以被引力波探測站觀測到。

  馬薩諸塞大學和羅得島大學的物理學家、合著者之一的高拉夫·汗納(Gaurav Khanna)表示:“阿雷塔基斯的研究提出,事件視界上殘留有一些信息,而我們的論文開闢了測量這種‘毛髮’的可能。”

  值得注意的是,科學家認為要麼是黑洞信息的殘餘物,要麼是黑洞隨後受到的擾動(比如落入黑洞的物質),能在接近極限黑洞的事件視界上或者附近造成這種引力不穩定性。汗納說:“我們期待能看到和普通黑洞差異頗大的引力信號。”

  普林斯頓高等研究院的天體物理學家莉婭·梅德羅斯表示,如果黑洞的確保有“毛髮”,並以此保留了一部分關於它們過去的信息,這可能會對著名物理學家史蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖論產生衝擊。這個悖論提煉了20世紀物理學兩大支柱——量子力學和廣義相對論之間最基礎的矛盾。梅德羅斯說:“如果你違反了(信息悖論的)假設之一,你或許就能解決這個悖論本身。而其中一個假設就是無毛定理。”

  由此造成的後果可能很廣泛。“如果我們能證明黑洞外實際的黑洞時空與我們的預期不同,那麼我認為這將會對廣義相對論產生巨大的衝擊。”梅德羅斯這樣說道。

  而上個月底這篇論文中最令人激動的發現是,它可以提供一種將黑洞觀測與基礎物理學相結合的方法。探測黑洞上的“毛髮”,這或許是全宇宙最極端的天體物理實驗室,可以允許我們以某種前所未有的方式研究一些學說,例如弦論和量子引力等。

  梅德羅斯說:“弦論和量子引力的一大問題是,基於它們的預測往往非常難以檢驗。所以如果有任何辦法,甚至僅僅是遠程來檢驗這些理論,都是非常驚人的。”

  絕非易事

  然而,還存在一些重大障礙。目前還不清楚近極端的黑洞是否廣泛存在,天文學家可以模擬極端黑洞,但目前模擬產生的黑洞都至少和“極端”存在30%的差距。並且即使這些黑洞是極端的,也不清楚引力波探測器是否足夠靈敏,能從這些“毛髮”發現不穩定性。

黑洞數值模擬(圖片來源:事件視界望遠鏡)
黑洞數值模擬(圖片來源:事件視界望遠鏡)

  更重要的是,這些“毛髮”的預期壽命短得要命,持續時間只有幾分之一秒。

  不過至少從理論上來講,論文本身是可靠的。“我不認為科學界的任何人會懷疑它,”切斯勒說,“這並非投機,只是愛因斯坦的方程太過複雜,我們每年都能發現它的新特性。”

  科學家下一步的目標,是確定它們要在引力波探測器中尋找怎樣的信號。這樣的探測器既包括LIGO、Virgo這樣正在運行的地基探測器,也包含將來歐洲航天局的LISA(Laser Interferometer Space Antenna,空間激光干涉儀),以及我國的天琴計劃和太極計劃這樣的天基探測器。

  “人們應該在現有工作的基礎上再接再厲,計算這種引力輻射的頻率,從而理解我們應該如何通過探測來證認它,”伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校的天體物理學家海爾維·維特克(Helvi Witek)說,“下一步是從這些理論中研究得出(黑洞毛髮的)特徵。”

  對於這樣的嚐試,科學家有著充足的理由。雖然通過探測證明論文正確的機會渺茫,但這樣的發現不僅僅會挑戰愛因斯坦的廣義相對論,也證明了近極端黑洞的存在。

  “我們很想知道自然是否允許這樣的怪物存在,”汗納說,“這將對我們的研究領域產生戲劇性的影響。”

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽