挑战爱因斯坦的广义相对论:黑洞可能长了“毛”

时间:2021-02-25

  双胞胎或许具有相同的基因蓝本,但他们从内在的性格到外在的发型等,仍会表现出各种各样的差异。但是黑洞就没那么多差异。根据爱因斯坦的引力理论,黑洞只能拥有三个特征:质量、自旋和电荷。如果任何两个黑洞的这三个值都一样的话,我们就无法区分这两个黑洞。换句话说,黑洞,没有“毛发”。

  哈佛大学的理论物理学家保罗·切斯勒说:“在经典广义相对论中,黑洞是完全一样的。你无法找到任何区别。”

  但现在,科学家已经开始怀疑“无毛定理”是否完全正确。2012年,当时在剑桥大学的数学家斯特法诺斯·阿雷塔克斯(现任职于多伦多大学)提出,有些黑洞的事件视界中可能存在不稳定性。这些不稳定性或许可以有效地在黑洞的事件视界部分区域产生更强的引力,使得原本完全相同的黑洞变得可以区分。

  但是,他的方程式显示,这种情况可能仅适用于极端黑洞,即质量、自旋或电荷这三个特征中,有一个具有理论上最大值的黑洞。切斯勒说,就我们目前所知,“这些黑洞不可能存在,或者严格来说,不可能自然存在。”

  但是,假如有一个近似的极端黑洞呢?即其一个特征值逼近极端值但又没有完全达到极端值?这样的黑洞,在理论上,是可能存在的。我们是否可以在这样的黑洞上,观测到违背无毛定理的迹象呢?

  上个月末发表的一篇论文显示,确实存在这样的可能性。此外,论文还表示,引力波天文台可以检测到这种“毛发”。

  马萨诸塞大学和罗德岛大学的物理学家、论文的合著者之一高拉夫·卡纳说:“阿雷塔克斯提出,黑洞的事件视界上残留了一些信息。而我们的论文则开辟了测量这种‘毛发’的可能性。”

  科学家特别指出,黑洞形成的残留物或黑洞之后受到的扰动(例如落入黑洞的物质)的残留物,可能会在近似极端黑洞的事件视界中或者事件视界附近,造成引力的不稳定性。卡纳说:“我们希望可以看到与普通黑洞差异较大的引力信号。”

  普林斯顿高等研究院的天体物理学家利亚·梅德罗斯表示,如果黑洞确实有毛发,并保留了一些有关黑洞过去的信息,那么这或许会对已故物理学家斯蒂芬·霍金提出的著名黑洞信息悖论产生影响。霍金的黑洞信息悖论提炼了二十世纪物理学两大支柱——广义相对论和量子力学——之间的基础矛盾。梅德罗斯说:“如果你违反了(信息悖论)中的假设之一,你或许就能解决这个悖论本身。而其中一个假设就是无毛定理。”

  解决信息悖论带来的后果可能是广泛的。梅德罗斯说:“如果我们可以证明,黑洞外的实际黑洞时空与我们预期的不一样,那么我想,这将会对广义相对论造成巨大的影响。”十月份,梅德罗斯合著的一篇论文探讨了观测到的黑洞几何形状是否与预测一致。

  不过,最新论文中最令人激动的发现或许是,它提供了一种将黑洞观测与基础物理学相结合的办法。探测黑洞的毛发(或许是宇宙中最极端的天体物理实验室),可以让我们以前所未有的方式探索诸如弦论和量子引力等学说。

  梅德罗斯说:“弦论和量子引力的主要问题之一是,我们很难验证这些预测。所以,如果你有任何办法,哪怕是远程验证这些预测,都会令人大为惊奇。”

  但事情并非一帆风顺。首先,我们无法确定近似极端黑洞是否存在。(切斯勒说,目前最先进模拟产生的黑洞仍与极端黑洞存在30%的差距。)其次,即便存在近似的极端黑洞,我们仍不清楚引力波探测器是否足够灵敏,可以检测到黑洞毛发中的不稳定性。

  更重要的是,这些毛发的预期寿命极短,可能只有几分之一秒。

  不过至少从理论上来看,该论文是可靠的。切斯勒说:“我不认为科学界会有人对其提出质疑。这不是投机。只是爱因斯坦的方程是如此复杂,我们每年都可以发现它们的一些新特性。”

  下一步,科学家们将探讨他们应该在引力波探测器中寻找怎样的信号。这些引力波探测器包括目前已经投入使用的LIGO和Virgo等引力波天文台,或者像欧洲航天局的LISA等未来的天基探测器。

  伊利诺伊大学香槟分校的天体物理学家赫尔维·维特克说:“我们应该以此为基础,继续计算出这种引力辐射的频率,进而弄清楚我们该如何测量和识别这一引力辐射。下一步,我们将基于这一非常出色且重要的理论研究,找到实实在在的特征。”

  科学家们也有充分的理由朝着这个方向继续前进。尽管证明论文是否正确的探测机会十分渺茫,但是这样的发现不仅可以挑战爱因斯坦的广义相对论,也可以证明近似极端黑洞的存在。

  卡纳说:“我们很想知道这样的怪物是否自然存在。这将对我们的研究领域产生极大的影响。”(匀琳)


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