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在黑洞的边界,相对论与量子力学相互矛盾,相对论可能需“修正”

2021.03.22

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105年前,阿尔伯特·爱因斯坦正式发表了他的巅峰理论——广义相对论,给人类物理学带来了颠覆性的认知。
直到今天,广义相对论仍然是物理学的一座高峰,需要大量的物理学基础和深厚的数学功底才能够掌握。而另一方面,正是因为有了广义相对论,我们也可以相对容易一点地去理解宇宙中最神秘的天体——黑洞。

无毛的黑洞

乍一看,黑洞确实是非常神秘。它拥有着无限大的密度,引力强到连光都无法逃脱。因此,在视界范围和奇点之内到底会发生什么,始终是困扰科学家的最大谜题。
而另一方面,一个稳定的黑洞,只需要三个物理量就可以来描述,那就是质量、角动量(也就是它的自转)以及电荷。与此同时,一个黑洞所能携带的电荷是非常有限的,不可能非常大。因此,在很大程度上来讲,仅仅通过质量和角动量就能描述一个黑洞。换句话说,只要探测到一个黑洞的质量和自转速度,那么就可以知道它的其他性质。
这个理论,在1973年被霍金等人严格证明,那就是著名的“黑洞无毛定理”。根据这个理论,任何物质在被吞噬到黑洞内部之后,它的所有性质都会消失,只留下质量、角动量和电荷这三个无法变为电磁辐射的守恒量。
简单地做一个比喻,不论是一个60公斤的人,还是60公斤的棉花,抑或是没有经过分类的60公斤垃圾,如果转变为黑洞或者说被黑洞吞噬,那么它们就完全是一样的了(假设都不带电也不自转)。
我们知道,黑洞的质量决定了它的引力范围,也就是它能够吞噬多远处的光线。在某个范围内,不论是任何方向的光线,都会被黑洞吞噬。这个范围取决于黑洞的质量,并且已经由德国天体物理学家卡尔·史瓦西进行过完整的论证,这就就是黑洞的视界半径,黑洞的视界范围与周围空间的交界处就是所谓的事件视界
根据广义相对论的分析,黑洞的事件视界是完全平滑的,没有其他额外的性质。正是因为这个特点,所以黑洞才被称为是“无毛”的。

量子力学的挑战

这个理论虽然在广义相对论领域已经被广为接受,并且看起来牢不可破,但是在量子力学面前却遭遇到了严重的挑战。二者本来就在一些问题上相互矛盾,尤其在解释黑洞的一些问题上,更是出现了剧烈的冲突。
根据广义相对论,任何进入到黑洞的信息都不可能逃逸出来,当物质穿越事件视界后,它所携带的信息都将消失,只留下刚才提到的三种属性融入黑洞;而从量子力学的角度来思考这个问题的话,情况就不一样了,根据量子力学的理论,即使是黑洞,也允许一些能量和信息逃逸出来。
这就是科学家们面临的困境,也就是著名的黑洞防火墙悖论。

广义相对论的修正

多年以来,科学家们一直试图调和这个矛盾,但是都没有成功。本质上说,这是相对论和量子力学的矛盾,或者说我们还没有找到大统一的万有理论。为此,霍金甚至提出了灰洞的说法,表明完全只进不出的黑洞是不存在的。
也有人提出了自己的看法,来试图解决这个悖论。比较常见的,就是对广义相对论的修正。不过这里有一个问题,那就是修正的广义相对论和爱因斯坦的广义相对论之间差别非常细微,必须在非常非常极端的事件中才能够发现。因此,尽管他们说得头头是道,我们也无法证实。
最近,《物理评论快报》上刊登了一项最新的研究,提出了一种新的观点。研究人员指出,通过黑洞的自转,或许可以检测出二者之间的区别。
许多对于爱因斯坦广义相对论进行修正的理论中都有一个看不见的额外参数,这个参数叫做无质量标量场
所谓的场,指的就是某种物理量在某个空间的分布情况。我们通常比较熟悉的就是磁场,带电或者带有磁性的物体放在磁场中会感受到电磁力,然后发生运动的变化。而所谓的标量,指的是没有方向的物理量,比如温度、密度以及质量等。
(图片说明:一个房间内的温度分布就是一个标量场)
研究人员指出,无质量标量场可以允许爱因斯坦的场方程和量子力学之间找到一种不相互矛盾的模式。而在这篇论文中,研究人员介绍了如何通过黑洞的自转来找到这种无质量标量场的蛛丝马迹。

不同的黑洞,不同的自转

他们在论文中指出:当黑洞的自转速度比较慢时,修正后的黑洞和目前理论中的黑洞模型应该是一样的;不过,如果黑洞在进行高速自转,情况就不一样了,无质量标量场会使得黑洞展现出一些额外的性质。也就是说,这些修正理论允许黑洞在高速自转的时候“长出毛发”,携带一些其他的信息。
因此,通过对高速自转黑洞的观测,我们就可以验证这些修正理论是否正确。
研究人员指出:旋转黑洞的这些“毛发”通常会出现在黑洞的事件视界附近,并且在黑洞并合的过程中也会体现出它们的影响。因此,他们建议科学家们未来可以通过引力波来对这些高速自转的黑洞进行观测、研究,从而确定那些关于广义相对论的修正理论是否的确有效。
至少到目前为止,爱因斯坦的广义相对论仍然经受住了所有的“考验”。在一次次宇宙极端事件的观测中,这个伟大的理论被一次次地验证。我们当然希望它是完全正确的,但也有一种可能,那就是我们观测的事件还不够极端。也许在更加极端的宇宙事件或天体上,我们会发现广义相对论的崩溃。
我们也期待着科学家利用引力波对高速自转黑洞的观测结果,如果最后发现广义相对论仍然坚如磐石,那固然是个好消息;如果发现广义相对论出现了问题,那么我们更应该庆幸,因为我们又发现了新的理论。
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