霍金證明錯了？黑洞不僅有“頭發(fā)”，還有可能被人類捕捉！？

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2021年1月的一項研究表明，極端黑洞可能會打破著名的“無毛”定理。而且，這種現(xiàn)象是可以被我們探測到的。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，黑洞僅有三種可觀測的特性： 質(zhì) 量、自旋和 電荷 。不存在其他額外的特性，比如長了“頭發(fā)”。

黑洞之間甚至可能比同卵雙胞胎還要相似 。雙胞胎可能源自相同的基因藍圖，但在性格、發(fā)型等方面可能千差萬別。而根據(jù)愛因斯坦的引力理論，黑洞只有三個特性：質(zhì)量、自旋和電荷。 如果這三個值都相同，那么就無法區(qū)分這對兒黑洞“雙胞胎” 。換言之，黑洞是沒有“頭發(fā)”的。

“在經(jīng)典廣義相對論中，黑洞‘雙胞胎’完全相同，”哈佛大學理論物理學家保羅·切斯勒（Paul Chesler）表示道，“人們無法分辨兩個黑洞之間的區(qū)別。”

然而，科學家們開始質(zhì)疑“無毛定理”是否絕對成立。2012年，數(shù)學家斯特法諾斯·阿雷塔基斯（Stefanos Aretakis）提出了一種可能性。當時他任職于劍橋大學，現(xiàn)任職于多倫多大學。 阿雷塔基斯認為某些黑洞的事件視界上可能存在不穩(wěn)定性 。這些不穩(wěn)定性會導(dǎo)致黑洞視界的某些區(qū)域比其他區(qū)域的引力更強。這種特性或許能讓原本無法區(qū)分的黑洞顯現(xiàn)出差異性，從而實現(xiàn)彼此間的區(qū)分。

然而，他的方程僅表明， 這種情況只可能出 現(xiàn)在所謂 的極端黑洞中 。這類黑洞的質(zhì)量、自旋或電荷中的某一項達到理論上的最大值。但據(jù)我們所知，“這些黑洞在自然界中是不存在的，”切斯勒表示道。

那么，如果是接近極端狀態(tài)的黑洞呢？這種黑洞的特性接近極端黑洞，但未完全達到極端值。理論上，這樣的黑洞是可能存在的。那么，它是否會存在可被探測到的違反“無毛定理”的情況呢？

2021年1月底發(fā)表的一篇論文表明， 黑洞可能擁有可探測的“頭發(fā)”，且這種“頭發(fā)”可通過引力波觀測站探測到 。

“阿雷塔基斯的研究基本上暗示， 黑洞視界上可能存留某些信息 ，”論文合著者、馬薩諸塞大學和羅德島大學的物理學家高拉夫·卡納（Gaurav Khanna）解釋道，“我們的研究為測量這種‘頭發(fā)’提供了可能性。”

研究人員特別提出， 黑洞形成時遺留的痕跡，或后期受到的干擾 （比如其他物質(zhì)落入黑洞） 等因素，可能會在接近極端黑洞的事件視界或其附近產(chǎn)生引力不穩(wěn)定現(xiàn)象 。“我們預(yù)計，這種黑洞發(fā)出的引力信號將與非極端的普通黑洞的信號大相徑庭，”卡納說道。

如果黑洞確實長了“頭發(fā)”，也就是說能夠保留一些關(guān)于其過去的信息，那么這可能對已故物理學家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出的著名黑洞信息悖論產(chǎn)生影響。普林斯頓高等研究院的天體物理學家利亞·梅黛羅斯（Lia Medeiros）指出，該悖論揭示了20世紀物理學兩大支柱—— 廣義相 對論和量 子力學之間的根本沖 突 。梅黛羅斯表示：“如果你打破了信息悖論中的某個假設(shè)，就可能有機會解決這個悖論。其中一個假設(shè)就是‘無毛定理’。”

該結(jié)論將帶來廣泛的影響。梅黛羅斯女士表示：“如果我們能夠證明黑洞外部的實際時空與預(yù)期不同，那么這將對廣義相對論產(chǎn)生巨大的影響。”梅黛羅斯女士是2021年10月份一篇論文的合著者，該論文探討了觀測到的黑洞幾何是否與理論預(yù)測一致。

然而，這篇論文最令人興奮的地方在于，它可能提供一種將黑洞觀測與基礎(chǔ)物理學相結(jié)合的方法。在宇宙中最極端的天體物理實驗室——黑洞上探測“頭發(fā)”，可能讓我們以前所未有的方式探究弦理論和量子引力等理論。

“事實證明，愛因斯坦的方程非常復(fù)雜，以至于我們每年都能發(fā)現(xiàn)它們的新特性。” ——保羅·切斯勒

“弦理論和量子引力面臨的一大問題是，要驗證這些預(yù)測困難重重，”梅黛羅斯表示，“所以，哪怕發(fā)現(xiàn)有任何一丁點可驗證的物質(zhì)，都很了不起。”

不過，現(xiàn)在仍然面臨著重重障礙。 目前尚無法確定近乎極端的黑洞是否存在 。切斯勒表示， 目前最好的模擬通常只能生成距離極端狀態(tài)還差30%的黑洞 。即使極端黑洞確實存在，也不確定引力波探測器是否足夠靈敏，能否捕捉到這些“頭發(fā)”引發(fā)的不穩(wěn)定性信號。

此外， 這些“頭發(fā)”預(yù)計存續(xù)時間非常短暫，僅能維持幾分之一秒。

不過，至少從原理層面，這篇論文本身是可靠的。“我認為科學界內(nèi)沒有人會對此存疑，”切斯勒表示道。“這并非憑空揣測。只是愛因斯坦的方程太復(fù)雜了，所以我們幾乎每年都在發(fā)現(xiàn)一些新特性。”

下一步應(yīng)確定我們應(yīng)該在引力波探測器中尋找的信號類型——無論是現(xiàn)有的 激光干涉引力波觀測臺 （LIGO-Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）和 室女座引力波探測器 （Virgo Gravitational Wave Detector），還是未來的其他探測器設(shè)備，比如歐洲航天局的 空間激光干涉儀 （LISA-Laser Interferometer Space Antenna）。

“現(xiàn)在需要在他們的基礎(chǔ)上，進一步開展計算，真正計算出這種引力輻射的頻率，并弄清楚如何測量和識別該頻率，”伊利諾伊大學厄巴納—香檳分校的天體物理學家赫爾維·維特克（Helvi Witek）說道。“下一步是將這項極其重要的理論研究轉(zhuǎn)化為可觀測的信號特征。”

促使我們開展這項研究的理由有很多。雖然驗證該論文正確的探測機會渺茫，但 這樣的發(fā)現(xiàn)不僅會挑戰(zhàn)愛因斯坦的廣義相對論，還能證明接近極端值的黑洞確實存 在 。

“我們很好奇，自然界是否真的允許這樣的‘怪物’存在，”卡納表示，“這將對我們的研究領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。”

原文小更正

文章原版本暗示理論學家無法模擬距離極端狀態(tài)小于30%的黑洞。事實上， 他們可以模擬出接近極端值的黑洞，只是其常規(guī)模擬的黑洞距離真正的極端狀態(tài)通常還存在30%的差距。

作者：Jonathan O'Callaghan

翻譯：邊穎

審校：姬子隰

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