霍金黑洞猜想受到挑战:黑洞可能有“毛发”

2021年2月23日09:55:21 评论 32

来源:全球科学

霍金黑洞猜想受到挑战:黑洞可能有“毛发”

图片来源:d. COE,J .ANDERSON和r. VAN DER MAREL(太空望远镜科学研究所),NASA,欧洲航天局|王宇

修订|吴菲

双胞胎之间的差别远远大于黑洞之间的差别。双胞胎可能有着相同的基因蓝图,但他们可以在气质、外貌甚至发型上表现出差异。但是根据爱因斯坦引力理论,黑洞只能有三个特征:——质量、自旋和电荷。如果这两个黑洞的这些值相同,就不可能区分它们。黑洞上没有能让我们区分它们的“毛”。这就是著名的黑洞无毛定理。

哈佛大学理论物理学家保罗切斯勒(Paul Chesler)说:“在经典的广义相对论中,它们是完全一样的,你找不到任何区别。”

问题层出不穷

然而,科学家们已经开始考虑无毛定理是否完全正确。2012年,剑桥大学(现为多伦多大学)的数学家斯特凡诺斯阿雷塔基斯提出,一些黑洞在其事件视界中可能是不稳定的。这些不稳定性将在事件视界的某些区域产生更强的引力,使得原本相同的黑洞变得可区分。

但他的方程只适用于极端黑洞,即质量、自旋和电荷三个特征之一是理论最大值。据我们所知,“这些黑洞不可能存在,或者说,它们不可能自然存在。”切斯勒说。

但是如果黑洞的一个属性值接近极值,但是没有达到极值呢?比如最近国家天文台对天鹅座X-1的精确测量结果显示,黑洞的自旋参数大于0.95,非常接近理论极限值1(换句话说,黑洞的自转速度大于光速的95%)。那么一个接近极限但还没有达到极限的黑洞会有违反无毛定理的可探测行为吗?

霍金黑洞猜想受到挑战:黑洞可能有“毛发”

天鹅座X1假想图(来源:国家天文台,国际射电天文学研究中心)不是镜子

上月底在《物理评论D》杂志上发表的一篇论文指出,可能存在这样的行为。此外,这种“毛发”可以通过引力波探测站观察到。

马萨诸塞州大学和罗德岛大学的物理学家和合著者高拉夫卡纳说:“阿雷塔基斯的研究表明,在事件地平线上还留有一些信息,我们的论文开启了测量这种‘头发’的可能性。”

值得注意的是,科学家们认为,无论是黑洞信息的残留还是随后对黑洞的扰动(如物质落入黑洞),都可以在黑洞的事件视界上或附近引起这种引力不稳定性的极限附近。汉娜说:“我们希望看到与普通黑洞截然不同的引力信号。”

普林斯顿高等研究院的天体物理学家莉亚梅德罗斯(Leah Mederos)说,如果黑洞确实保留了“头发”,并保留了一些关于它们过去的信息,这可能会影响著名物理学家斯蒂芬霍金提出的黑洞信息悖论。这个悖论提炼出了20世纪物理学的两大支柱——量子力学和广义相对论之间最基本的矛盾。梅德罗斯说:“如果你违反了其中一个假设,你也许能解决悖论本身。其中一个假设是无毛定理。”

后果可能是广泛的。“如果我们能证明黑洞外的实际黑洞时空与我们的预期不同,那么我认为这将对广义相对论产生巨大的影响。”梅德罗斯是这么说的。

上个月底本文最激动人心的发现是,它可以提供一种黑洞观测与基础物理相结合的方法。探测黑洞上的“毛发”,这也许是宇宙中最极端的天体物理学实验室,可以让我们以前所未有的方式研究一些理论,比如弦理论和量子引力。

梅德罗斯说:“弦理论和量子引力的一个大问题是,基于它们的预测往往很难检验。所以,如果有什么办法,哪怕只是远程测试这些理论,都是很神奇的。”

这不是一项容易的任务

然而,仍然存在一些主要障碍。目前还不清楚近极端黑洞是否广泛存在,天文学家可以模拟极端黑洞,但目前模拟产生的黑洞与“极端”至少相差30%。而且即使这些黑洞是极端的,也不清楚引力波探测器的灵敏度是否足以从这些“毛发”中探测到不稳定性。

霍金黑洞猜想受到挑战:黑洞可能有“毛发”

黑洞的数值模拟(图片来源:事件视觉望远镜)更重要的是,这些“毛发”的预期寿命极短,仅持续几分之一秒。

但至少理论上,论文本身是可靠的。“我认为科学界没有人会怀疑这一点,”切斯勒说。“这不是推测,而是爱因斯坦方程太复杂了,我们每年都能发现它的新特征。”

科学家的下一个目标是确定他们在引力波探测器中寻找什么样的信号。此类探测器不仅包括LIGO、处女座等陆基探测器,未来还包括欧洲航天局LISA(激光干涉仪空间天线)等天基探测器,以及中国的秦天计划、太极计划等。

“人们应该在现有工作的基础上,计算这种重力辐射的频率,以便理解我们应该如何通过探测来识别它,”伊利诺伊大学说

厄巴纳-尚佩恩分校的天体物理学家海尔维·维特克(Helvi Witek)说,“下一步是从这些理论中研究得出(黑洞毛发的)特征。”

对于这样的尝试,科学家有着充足的理由。虽然通过探测证明论文正确的机会渺茫,但这样的发现不仅仅会挑战爱因斯坦的广义相对论,也证明了近极端黑洞的存在。

“我们很想知道自然是否允许这样的怪物存在,”汗纳说,“这将对我们的研究领域产生戏剧性的影响。”

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