挑戰愛因斯坦的廣義相對論:黑洞可能長了“毛”
2021年02月25日09:29
根據愛因斯坦的廣義相對論,黑洞只有三個可觀察的特徵:質量、自旋和電荷。其他特徵,如“毛髮”,並不存在。
根據愛因斯坦的廣義相對論,黑洞只有三個可觀察的特徵:質量、自旋和電荷。其他特徵,如“毛髮”,並不存在。

  新浪科技訊 北京時間2月25日消息,雙胞胎或許具有相同的基因藍本,但他們從內在的性格到外在的髮型等,仍會表現出各種各樣的差異。但是黑洞就沒那麼多差異。根據愛因斯坦的引力理論,黑洞只能擁有三個特徵:質量、自旋和電荷。如果任何兩個黑洞的這三個值都一樣的話,我們就無法區分這兩個黑洞。換句話說,黑洞,沒有“毛髮”。

  哈佛大學的理論物理學家保羅·切斯勒說:“在經典廣義相對論中,黑洞是完全一樣的。你無法找到任何區別。”

  但現在,科學家已經開始懷疑“無毛定理”是否完全正確。2012年,當時在劍橋大學的數學家斯特法諾斯·阿雷塔克斯(現任職於多倫多大學)提出,有些黑洞的事件視界中可能存在不穩定性。這些不穩定性或許可以有效地在黑洞的事件視界部分區域產生更強的引力,使得原本完全相同的黑洞變得可以區分。

  但是,他的方程式顯示,這種情況可能僅適用於極端黑洞,即質量、自旋或電荷這三個特徵中,有一個具有理論上最大值的黑洞。切斯勒說,就我們目前所知,“這些黑洞不可能存在,或者嚴格來說,不可能自然存在。”

  但是,假如有一個近似的極端黑洞呢?即其一個特徵值逼近極端值但又沒有完全達到極端值?這樣的黑洞,在理論上,是可能存在的。我們是否可以在這樣的黑洞上,觀測到違背無毛定理的跡象呢?

  上個月末發表的一篇論文顯示,確實存在這樣的可能性。此外,論文還表示,引力波天文台可以檢測到這種“毛髮”。

  馬薩諸塞大學和羅德島大學的物理學家、論文的合著者之一高拉夫·卡納說:“阿雷塔克斯提出,黑洞的事件視界上殘留了一些信息。而我們的論文則開闢了測量這種‘毛髮’的可能性。”

  科學家特別指出,黑洞形成的殘留物或黑洞之後受到的擾動(例如落入黑洞的物質)的殘留物,可能會在近似極端黑洞的事件視界中或者事件視界附近,造成引力的不穩定性。卡納說:“我們希望可以看到與普通黑洞差異較大的引力信號。”

  普林斯頓高等研究院的天體物理學家利亞·梅德羅斯表示,如果黑洞確實有毛髮,並保留了一些有關黑洞過去的信息,那麼這或許會對已故物理學家斯蒂芬·霍金提出的著名黑洞信息悖論產生影響。霍金的黑洞信息悖論提煉了二十世紀物理學兩大支柱——廣義相對論和量子力學——之間的基礎矛盾。梅德羅斯說:“如果你違反了(信息悖論)中的假設之一,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。”

  解決信息悖論帶來的後果可能是廣泛的。梅德羅斯說:“如果我們可以證明,黑洞外的實際黑洞時空與我們預期的不一樣,那麼我想,這將會對廣義相對論造成巨大的影響。”十月份,梅德羅斯合著的一篇論文探討了觀測到的黑洞幾何形狀是否與預測一致。

  不過,最新論文中最令人激動的發現或許是,它提供了一種將黑洞觀測與基礎物理學相結合的辦法。探測黑洞的毛髮(或許是宇宙中最極端的天體物理實驗室),可以讓我們以前所未有的方式探索諸如弦論和量子引力等學說。

  梅德羅斯說:“弦論和量子引力的主要問題之一是,我們很難驗證這些預測。所以,如果你有任何辦法,哪怕是遠程驗證這些預測,都會令人大為驚奇。”

  但事情並非一帆風順。首先,我們無法確定近似極端黑洞是否存在。(切斯勒說,目前最先進模擬產生的黑洞仍與極端黑洞存在30%的差距。)其次,即便存在近似的極端黑洞,我們仍不清楚引力波探測器是否足夠靈敏,可以檢測到黑洞毛髮中的不穩定性。

  更重要的是,這些毛髮的預期壽命極短,可能只有幾分之一秒。

  不過至少從理論上來看,該論文是可靠的。切斯勒說:“我不認為科學界會有人對其提出質疑。這不是投機。只是愛因斯坦的方程是如此複雜,我們每年都可以發現它們的一些新特性。”

  下一步,科學家們將探討他們應該在引力波探測器中尋找怎樣的信號。這些引力波探測器包括目前已經投入使用的LIGO和Virgo等引力波天文台,或者像歐洲航天局的LISA等未來的天基探測器。

  伊利諾伊大學香檳分校的天體物理學家赫爾維·維特克說:“我們應該以此為基礎,繼續計算出這種引力輻射的頻率,進而弄清楚我們該如何測量和識別這一引力輻射。下一步,我們將基於這一非常出色且重要的理論研究,找到實實在在的特徵。”

  科學家們也有充分的理由朝著這個方向繼續前進。儘管證明論文是否正確的探測機會十分渺茫,但是這樣的發現不僅可以挑戰愛因斯坦的廣義相對論,也可以證明近似極端黑洞的存在。

  卡納說:“我們很想知道這樣的怪物是否自然存在。這將對我們的研究領域產生極大的影響。”(勻琳)

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