跟爱因斯坦想的不太一样,黑洞可能有毛

跟爱因斯坦想的不太一样,黑洞可能有毛

 

  根据爱因斯坦的重力理论,黑洞只有三个特徵:质量、角动量和电荷。如果黑洞的这三个特徵都相同,那就不可能区分两个黑洞的差异。由於科学家几乎无法取得黑洞的其他资讯,它也不存在立方体、椎体或其他凸起的形态,因此提出了「黑洞无毛定理」。

  哈佛大学理论物理学家保罗‧切斯勒(Paul Chesler)说:「在传统的广义相对论中,黑洞是完全相同的,因此我们看不出有何区别。」然而,科学家们已经开始怀疑「无毛定理」是否完全正确。2012年,当时在剑桥大学、现任职於多伦多大学的数学家史提方诺‧亚瑞塔奇斯(Stefanos Aretakis)提出,某些黑洞的事件视界可能比较不稳定,这种不稳定性使黑洞视界的某些区域比其他区域具有更强的引力,如此便能区分不同的黑洞。

  但亚瑞塔奇斯的猜想只适用在所谓的极值黑洞上——质量、角动量或电荷达到最大值的黑洞,而切斯勒指出据目前所知:「这些黑洞不可能存在,至少在自然界是如此。」

  不过假如能找到一个接近但没有完全达到极值的黑洞呢?这样的黑洞理论上应该存在,那它能推翻无毛定理吗?

  最近发表的一篇研究证明了这种可能性,而且重力波探测器或许能观测到这种特徵。麻州大学和罗德岛大学的物理学家、该论文的共同作者之一高拉夫‧康纳(Gaurav Khanna)说:「亚瑞塔奇斯基本上提出了视界可能留下一些资讯,而我们的研究是找出探测黑洞『有毛』的可行办法。」

  尤其是黑洞形成时或随後扰动的残留物(如落入黑洞的物质),可能会在接近极值黑洞的视界或附近产生不稳定的重力,康纳说:「我们估计在一般黑洞观测到的重力信号会跟极值黑洞不同。」

  普林斯顿高等研究院的天体物理学家莉亚‧梅德罗斯(Lia Medeiros)说,如果黑洞真的「有毛」,那就会保留一些有关黑洞过去的资讯,或许能解决已故物理学家史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking)提出的黑洞资讯悖论。这个悖论是20世纪物理学两大支柱「广义相对论」与「量子力学」之间的根本冲突,梅德罗斯说:「如果能证明(资讯悖论)的假设有错,那就可能破解这个悖论,而其中一个假设就是无毛定理。」

  後果可能带来的影响非常广泛,梅德罗斯说:「如果我们能证明黑洞外的时空与我们所预期的不同,那我认为这会对广义相对论造成巨大的影响。」梅德罗斯在2020年10月份与其他科学家共同发表了一篇论文,探讨观测到的黑洞几何形状是否与预期的一致。

  这篇新研究最令人注目的地方是它提供了一种方法,结合了黑洞的观测与基本物理学。探测黑洞的毛得以让科学家以前所未有的方式探索弦理论与量子力学的观点,梅德罗斯说:「弦理论和量子力学最大的问题很难验证这些观点。所以,如果你能从遥远的地方取得测试资料,那就太棒了。」

  然而,现实中还存在着许多阻碍,例如目前还无法确定是否真的存在接近极值的黑洞,目前模拟出最接近的结果距离黑洞极值还有30%。即使真的存在,也不清楚重力波探测器是否够灵敏能捕捉到视界的不稳定性。最重要的是,黑洞的毛被认为非常短暂,持续时间可能不到一秒。

  但这项研究从理论的角度来看似乎还算合理,切斯勒说:「我认为科学界没有人会质疑这点,这不是凭空乱猜的。爱因斯坦的理论如此复杂,以至於我们每年都还会有新的发现。」

  接下来是从重力波探测器找出有用的讯号,伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校的天体物理学家海薇‧薇媞(Helvi Witek)说:「我们现在应该根据这项研究来计算重力波的频率,并了解我们该如何观测与识别,然後找出具有代表性意义的实质数据。」

  我们有很多理由这麽做,虽然现实上要证明这项研究正确无误的机会很渺茫,但如果真的有所发现,那不仅挑战了爱因斯坦的广义相对论,还能证明接近极值黑洞的存在,康纳说:「我们很想知道自然界是否允许这种怪物存在,它会对我们的领域带来非常显着的影响。」

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