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黑洞有“毛发”?霍金的黑洞无毛理论受到冲击

2021.03.27

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从1783年,地理学家约翰·米歇尔首次提出黑洞的概念起,人们便开启了对这个神秘天体的漫漫探索之路。

2019年4月10日,视界望远镜(EHT)合作组织发布了有史以来第一张黑洞图像——5500万光年外的M87超大质量黑洞,人类第一次得以看到黑洞的真正面目。

黑洞最为人所知的特性之一就是任何事物都无法从黑洞中逃脱,包括光。因此,即使是极小规模的黑洞也不会向人们传递出任何关于它的起源或演变过程的线索。

第一张M87黑洞照片

图源:Royal Institution

据推断,银河系中不仅充满了数以亿计的恒星,还拥有多达1亿多个黑洞。但由于无法直接观测到这些黑洞,人们难以从外观上区分它们。

不同于双胞胎之间的差别,虽然双胞胎拥有相同的基因,但我们却能从外貌、发型、甚至气质上将它们区分开来。

但根据霍金提出的“黑洞无毛理论”,黑洞只拥有三个可识别特征——质量、角动量和电荷。如果存在两个黑洞在这三个性质上具有相同的值,理论上人们是无法区分这两个黑洞的。

时间来到2021年,一项最新的研究表明,近似极值的黑洞很有可能存在“毛发”,即黑洞边界可能携带可以探测到的信息,这很可能会打破著名的“黑洞无毛理论”。

黑洞理论的发展历史

黑洞(Black Hole),是现代广义相对论中,存在于宇宙空间中的一种密度极大体积极小的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应尾期,能量耗尽消亡后,发生引力坍缩而产生的。

黑洞的引力非常强大,即使快如3万米/秒的光速也不能超过其视界(黑洞的边界)内的逃逸速度。

因此,包括光在内的任何物质在靠近黑洞的过程中都会被其吸收无法逃脱,这也解释了为什么黑洞无法直接被观测到,只能通过间接方式证明它的存在。

黑洞并不“黑”,只是我们无法直接观测到

图源:pixabay

黑洞研究的进展要从爱因斯坦在1915年提出广义相对论说起,他在广义相对论中提出了著名的引力场方程

几个月后,德国数学家史瓦西计算得到了引力场方程的第一个精确解,即我们现在知道的天体变为黑洞的临界半径——史瓦西半径。当星体坍陷至其史瓦西半径,没有任何作用力能阻挡星体继续坍陷,继而无法挽回的形成黑洞。

在证实了黑洞的存在后,1973年霍金提出了“黑洞无毛理论”:无论什么样的黑洞,其最终性质仅由几个物理量,即质量、角动量、电荷,唯一决定。

当黑洞形成后,只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他一切信息(科学家称之为“毛发”)都丧失了,不存在其他任何复杂的性质。

极值黑洞可能推翻“无毛理论”?

如果两个黑洞拥有相同的质量、角动量和电荷值,就意味着它们是一模一样、没有丝毫差别的。哈佛大学的理论物理学家保罗·切斯勒表示,“在经典的广义相对论中,它们就是完全相同的,没有任何方法能区分出它们。”

当然这都是基于“黑洞无毛理论”的推断,科学家们在论证每个理论时都格外谨慎,因此他们也始终怀疑是否所有的黑洞都严格遵守这个理论。

2012年,当时在剑桥大学工作现在就职于多伦多大学的数学家斯特凡诺斯·阿雷塔基斯(Stefanos Aretakis)提出,某些黑洞在其视界上可能存在不稳定性。

这些不稳定性将会使黑洞视界上的某些区域拥有比其他区域更强的引力,这方面的差别便能让原本完全相同的黑洞具备可区分性

极值黑洞“毛发”仿真图象

但是,他给出的方程解只能证明他的结论在极值黑洞中是成立的,而极值黑洞在自然界中是不可能存在的,因为极值黑洞在质量、角动量或电荷这三个参数中会有某一个值达到最大。

尽管严格的黑洞是不存在的,但如果我们有一个无限逼近极值,却没有实际到达极限值的黑洞呢?这样的黑洞至少在理论上是可以存在的,它有没有可能违背“无毛理论”,在视界上具有能够被探测到的不稳定区域?

黑洞“毛发”能否解释黑洞信息悖论

2021年1月底发表的这篇论文肯定了上述猜想的合理性,此外,论文还表示,黑洞的“毛发”可以用引力波天文台探测到。

马萨诸塞大学和罗德岛大学的物理学家高拉夫·康纳是这个研究的参与者之一,他说:“阿雷塔基斯认为在黑洞视界上存在一些可以被探测到的信息,而我们的研究成果为探测这些信息(也可以称之为“黑洞的毛发”)提供了可能性。”

值得一提的是,科学家们认为,无论是黑洞形成时产生的残留物,还是黑洞后期成长中出现的扰动,比如落入黑洞的物质,都有可能在接近极值黑洞的视界或视界附近产生不稳定引力。康纳表示,他们期待在接近极值的黑洞上看到和普通黑洞迥然不同的引力信号。

普林斯顿高等研究院的天体物理学家莉雅·梅德罗斯表示,如果黑洞确实有“毛发”,并以此保留了一部分关于它们过去的历史信息,这可能会与著名物理学家斯蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖论产生冲突。

黑洞不只“吃东西”,也会吐东西即热辐射

图源:Ashley Mackenzie for Quanta Magazine

何为黑洞信息悖论?首先,量子力学的基本要求即信息守恒,信息不会凭空出现,也不会凭空消失。其次,霍金在他的黑洞研究中曾提出过黑洞辐射的概念,黑洞在吞噬物质时会对外产生辐射,然而热辐射本身几乎不携带信息

这也就是说在一个星体掉入黑洞并被其吞噬的过程中,星体在黑洞中以霍金辐射的形式蒸发掉了,但黑洞和辐射均不携带信息,那么原来星体的所有信息都去了哪里呢?信息守恒定律被打破,这就是悖论之所在。

这个悖论浓缩了20世纪物理学两大支柱——量子力学和广义相对论之间的根本矛盾。黑洞信息悖论的存在说明我们很可能在处理黑洞时在某一个步骤上出了问题,甚至运用了错误的理论基础。

因此,梅德罗斯说:“如果能证实黑洞信息悖论的假设之一是错误的,你也许就能解决悖论本身,而信息悖论的其中一个假设就是无毛理论。”

图源:Sakkmesterke/Science Source

当人们探测到黑洞的“毛发”,由此产生的后果可能相当广泛。

“如果我们能证明黑洞外实际的时间空间与我们预期的不同,那么我认为这将会对广义相对论产生巨大的冲击。”梅德罗斯说道。十月份,梅德罗斯合著的一篇论文讨论了其探测到的黑洞几何形状是否与预测一致。

这篇最新发表的论文最令人兴奋的地方在于,它提供了一种融合黑洞观测和基础物理学的方法。

或许在全宇宙最极限的天体物理实验室里,通过探测黑洞上的“毛发”,可以让我们以前所未有的方式探索诸多学说,例如弦论和量子引力等。

但梅德罗斯表示,弦论和量子引力的主要问题之一在于很难验证这些预测的正确程度。因此,如果有任何能够验证这些预测的方法,甚至可以是远程的,那都将会是个重大进步。

引力波天文台探测黑洞“毛发”

但探测黑洞“毛发”也并非易事。首先,我们无法确定近似极值黑洞是否真的存在。哈佛大学的切斯勒教授坦言,目前使用最先进手段模拟出的黑洞与极值黑洞仍存在30%的差距。

其次,即使在近似极值黑洞存在的情况下,我们也不清楚现有引力波探测器的灵敏度是否可以做到探测到黑洞毛发中的引力不稳定性。

最后,更重要的是,这种“毛发”非常难以捕捉,因为它的寿命极短,仅能存在不到一秒钟的时间。

不过从理论上来看,这项研究成果还是比较合理的。切斯勒说:“我觉得科学界不会有人对其提出质疑。这并不是无端推测,只是爱因斯坦的相对论方程是如此复杂,我们每年都可以从中发现它们的新特性。”

下一阶段,研究人员们将会把精力放在应该在引力波探测器上寻找什么样的引力信号。

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,或者也有可能是美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的太空中的引力波天文台——激光干涉空间天线,LISA。

人类第一座太空中的引力波天文台LISA 

图源:New Scientist

伊利诺伊大学香槟分校的天体物理学家海尔维·维特克表示:

“我们现在应该在前人的研究基础上,继续计算出这种黑洞'毛发’的引力辐射频率,并真正弄清楚我们该如何测量和识别这一引力辐射。进而,我们将从这个非常出色且重要的理论研究延伸到黑洞'毛发’具体特征的探究。”

科学家们有充分的理由和动力在这一领域继续探索。虽然验证黑洞“毛发”存在理论是否正确的探测机会十分渺茫,但一旦发现黑洞视界上存在信息,这将不仅挑战爱因斯坦的广义相对论,也会证明近似极值黑洞的存在。

康纳表示,“我们真的很想知道是否存在一个自然形成的近似极值的黑洞,这将对我们的研究领域产生翻天覆地的影响”。

参考:

1.https://www.quantamagazine.org/in-violation-of-einstein-black-holes-might-have-hair-20210211/

2.https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.L021502

3.https://www.newscientist.com/article/2081000-listening-for-gravitational-waves-from-the-birth-of-the-universe/

(本文未经造就授权,禁止转载。)

编译 | Daisy Zuo
版面 | 小顾
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