长毛的黑洞是什么样的？

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长毛的黑洞是什么样的？
                               
                                众所周知，质量巨大的恒星在坍缩时会形成黑洞，一个光与任何其他形式的物质都无法逃离的空间区域。
                               
                                第十五回 | 黑洞有毛



撰文 | 弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）
翻译 | 胡风?梁丁当


众所周知，质量巨大的恒星在坍缩时会形成黑洞——一个光与任何其他形式的物质都无法逃离的空间区域。科学家相信，包括我们银河系在内，许多星系的中心都存在超大质量黑洞，其质量比我们的太阳大数百万到数十亿倍。顾名思义，黑洞是看不见的，但我们却可以根据它对周围物体运动的影响推测出它的存在。

多年以来，物理学家普遍认为——用“黑洞”一词的发明者、传奇物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）的话来说 —— “黑洞无毛”。也就是说，任何掉进黑洞的东西都会彻底湮灭，不会在外部留下任何痕迹。如果惠勒是对的，那么黑洞是一个很好预测的物体。它的所有性质只由三个参数决定：总质量、角动量和电荷。这种惊人的简单性与恒星或行星形成了鲜明的对比——后者形状繁多、大小各异，有着不同的化学成分、内部分层和大气构成。

但惠勒的观点在近几年遭到了量子力学的有力挑战。量子力学中的基本方程沿时间向前演化和向后演化的方式是一样的，即具有时间反演对称性。这意味着宇宙必然容纳了足够的信息来完整地重建它的过去。可如果“黑洞无毛”，过去的信息就丢失了，我们就无法准确地判断它们是如何形成的。这样一来，宇宙过去的状态就不可能确定了，这不符合量子力学定律。

因此，按照量子力学，黑洞应该与形成它们的母体恒星一样，是独一无二的，具有丰富的特征。一种可能的解释是，有关黑洞历史的证据藏在“量子毛”中。这种量子毛是黑洞发射的某种我们还尚未发现的荷，其影响比电荷更弱或更微妙。另一种解释是斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）倡导的“软毛”理论。该理论认为，黑洞引力场的细微改变中残存着关于黑洞信息的零星记录。此外还有很多种解释，它们并不互相排斥，可能只有一两个是对的，也可能都是对的，但没有一种理论能说服所有人，并且到目前为止它们也都没有任何实验证据。无论是“量子毛”还是“软毛”，如果它们真的存在，应该是长在黑洞的外表面。还有一种解释认为黑洞与恒星一样有内部构造。但若是这样，物质就必须能够抵御巨大引力的无情吞噬，而这是违背爱因斯坦的广义相对论的。黑洞也可能是个“绒毛球”，在内部充满一种奇特的新物质，又或者有一道“火墙”，物质集中在其表面。但这些理论也一样，在很大程度上只是猜测。

简言之，量子理论认为黑洞是有毛的，只是无人知道毛是什么。物理学家甚至在为“毛长在哪儿”争论。所有逻辑上可能的解释——外部、内部或表面——都有学术成就卓越的支持者。




目前，很多物理学家对一种形式更为实在的黑洞大气感到兴奋。这种黑洞大气的根源是一种尚未被发现的质量很轻的粒子。当黑洞旋转时，这些粒子被甩出，然后又被引力捕捉回来。这个过程会形成黑洞大气层，从而改变黑洞的性质，并导致可以观测到的效应。这种构成了黑洞大气的粒子，可能就是某些物理理论预言的轴子，它也是宇宙暗物质的有力候选者。

近期引力波探测方面的突破有望让我们更好地研究黑洞的性质。黑洞间的碰撞是强大的引力辐射源。通过探测碰撞发出的引力波，我们能够深入前所未有的细节去研究黑洞。虽说这不能保证我们会发现黑洞是毛茸茸的，但前景十分诱人。