黑洞可能长了“毛”

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黑洞可能长了“毛”是怎么回事，是真的吗？2021年02月22日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                黑洞可能长了“毛”
                               
                                新的研究表明，极端黑洞可能会打破著名的黑洞无毛定理，并且能以某种方式被我们检测到。
                               
                               


图片来源：D. COE, J. ANDERSON和R. VAN DER MAREL（太空望远镜科学研究所），美国宇航局，欧洲航天局

1973年，史蒂芬·霍金等人证明了无毛定理（No Hair Theorem）。根据这个理论，黑洞只有质量、角动量以及电荷这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他的信息全都丧失了。

撰文 | 王昱
审校 | 吴非

双胞胎之间的差异远远大于黑洞之间的差异。双胞胎可能拥有相同的基因蓝本，但是他们却能在气质、外貌甚至是发型上，展现出各自的差异。但对于黑洞，根据爱因斯坦的引力理论，只能拥有三个特征——质量、自旋和电荷。如果两个黑洞的这些值都相同的话，就不可能区分两个黑洞。黑洞上面没有能让我们区分它们的“毛发”，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：“在经典广义相对论中，它们是完全一样的，你不可能找到任何区别。”


接连浮现的问题

然而，科学家们已经开始考虑无毛定理是否完全正确。2012年，当时在剑桥大学（现在任职于多伦多大学）的数学家斯特凡诺斯· 阿雷塔基斯（Stefanos Aretakis）提出，一些黑洞在其事件视界中可能具有不稳定性。这些不稳定性将会在事件视界上的某些区域中产生更强的引力，让原本全同的黑洞变得可以区分。

然而，他的方程仅仅适用于极端黑洞，即质量、自旋和电荷这3个特征中，有一个是理论上的最大值。据我们所知，“这些黑洞不可能存在，或者确切地说，不可能自然存在。”切斯勒说。

但如果一个黑洞，其中一个属性值逼近极端值，却没有达到极端值呢？例如，近日国家天文台等对天鹅座X1（Cygnus X-1）的精确测量结果显示，其中黑洞的自旋参数已经大于0.95，非常接近理论极限值1（换种说法，该黑洞的自转速度大于光速的95%）。那这样接近极限却还没有达到极限的黑洞，会有可检测到的违背无毛定理的行为吗？


天鹅座X1想象图（图片来源：国家天文台、国际射电天文研究中心）


并非镜花水月

上个月底在《物理评论D》杂志上发表的一篇论文表示，的确可能会有这样的行为。此外，这种“毛发”可以被引力波探测站观测到。

马萨诸塞大学和罗得岛大学的物理学家、合著者之一的高拉夫·汗纳（Gaurav Khanna）表示：“阿雷塔基斯的研究提出，事件视界上残留有一些信息，而我们的论文开辟了测量这种‘毛发’的可能。”

值得注意的是，科学家认为要么是黑洞信息的残余物，要么是黑洞随后受到的扰动（比如落入黑洞的物质），能在接近极限黑洞的事件视界上或者附近造成这种引力不稳定性。汗纳说：“我们期待能看到和普通黑洞差异颇大的引力信号。”

普林斯顿高等研究院的天体物理学家莉娅·梅德罗斯表示，如果黑洞的确保有“毛发”，并以此保留了一部分关于它们过去的信息，这可能会对著名物理学家史蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖论产生冲击。这个悖论提炼了20世纪物理学两大支柱——量子力学和广义相对论之间最基础的矛盾。梅德罗斯说：“如果你违反了（信息悖论的）假设之一，你或许就能解决这个悖论本身。而其中一个假设就是无毛定理。”

由此造成的后果可能很广泛。“如果我们能证明黑洞外实际的黑洞时空与我们的预期不同，那么我认为这将会对广义相对论产生巨大的冲击。”梅德罗斯这样说道。

而上个月底这篇论文中最令人激动的发现是，它可以提供一种将黑洞观测与基础物理学相结合的方法。探测黑洞上的“毛发”，这或许是全宇宙最极端的天体物理实验室，可以允许我们以某种前所未有的方式研究一些学说，例如弦论和量子引力等。

梅德罗斯说：“弦论和量子引力的一大问题是，基于它们的预测往往非常难以检验。所以如果有任何办法，甚至仅仅是远程来检验这些理论，都是非常惊人的。”


绝非易事

然而，还存在一些重大障碍。目前还不清楚近极端的黑洞是否广泛存在，天文学家可以模拟极端黑洞，但目前模拟产生的黑洞都至少和“极端”存在30%的差距。并且即使这些黑洞是极端的，也不清楚引力波探测器是否足够灵敏，能从这些“毛发”发现不稳定性。


黑洞数值模拟（图片来源：事件视界望远镜）

更重要的是，这些“毛发”的预期寿命短得要命，持续时间只有几分之一秒。

不过至少从理论上来讲，论文本身是可靠的。“我不认为科学界的任何人会怀疑它，”切斯勒说，“这并非投机，只是爱因斯坦的方程太过复杂，我们每年都能发现它的新特性。”

科学家下一步的目标，是确定它们要在引力波探测器中寻找怎样的信号。这样的探测器既包括LIGO、Virgo这样正在运行的地基探测器，也包含将来欧洲航天局的LISA（Laser Interferometer Space Antenna，空间激光干涉仪），以及我国的天琴计划和太极计划这样的天基探测器。

“人们应该在现有工作的基础上再接再厉，计算这种引力辐射的频率，从而理解我们应该如何通过探测来证认它，”伊利诺伊大学厄巴纳-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。”


参考链接：
https://www.quantamagazine.org/in-violation-of-einstein-black-holes-might-have-hair-20210211/
http://www.bao.ac.cn/xwzx/kydt/202102/t20210219_5892577.html