挑戰(zhàn)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論：黑洞可能長(zhǎng)了“毛”

雙胞胎或許具有相同的基因藍(lán)本，但他們從內(nèi)在的性格到外在的發(fā)型等，仍會(huì)表現(xiàn)出各種各樣的差異。但是黑洞就沒(méi)那么多差異。根據(jù)愛(ài)因斯坦的引力理論，黑洞只能擁有三個(gè)特征：質(zhì)量、自旋和電荷。如果任何兩個(gè)黑洞的這三個(gè)值都一樣的話，我們就無(wú)法區(qū)分這兩個(gè)黑洞。換句話說(shuō)，黑洞沒(méi)有“毛發(fā)”。

哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家保羅·切斯勒說(shuō)：“在經(jīng)典廣義相對(duì)論中，黑洞是完全一樣的。你無(wú)法找到任何區(qū)別。”

但現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始懷疑“無(wú)毛定理”是否完全正確。2012年，劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)家斯特法諾斯·阿雷塔克斯提出，有些黑洞的事件視界中可能存在不穩(wěn)定性。這些不穩(wěn)定性或許可以有效地在黑洞的事件視界部分區(qū)域產(chǎn)生更強(qiáng)的引力，使得原本完全相同的黑洞變得可以區(qū)分。

但是，他的方程式顯示，這種情況可能僅適用于極端黑洞，即質(zhì)量、自旋或電荷這三個(gè)特征中，有一個(gè)具有理論上最大值的黑洞。切斯勒說(shuō)，就我們目前所知，“這些黑洞不可能存在，或者嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，不可能自然存在?！?/p>

但是，假如有一個(gè)近似的極端黑洞呢？即其一個(gè)特征值逼近極端值但又沒(méi)有完全達(dá)到極端值？這樣的黑洞，在理論上，是可能存在的。我們是否可以在這樣的黑洞上，觀測(cè)到違背無(wú)毛定理的跡象呢？

日前發(fā)表的一篇論文顯示，確實(shí)存在這樣的可能性。此外，論文還表示，引力波天文臺(tái)可以檢測(cè)到這種“毛發(fā)”。

馬薩諸塞大學(xué)和羅德島大學(xué)的物理學(xué)家、論文的合著者之一高拉夫·卡納說(shuō)：“阿雷塔克斯提出，黑洞的事件視界上殘留了一些信息。而我們的論文則開(kāi)辟了測(cè)量這種‘毛發(fā)的可能性?！?/p>

科學(xué)家特別指出，黑洞形成的殘留物或黑洞之后受到的擾動(dòng)（例如落入黑洞的物質(zhì)）的殘留物，可能會(huì)在近似極端黑洞的事件視界中或者事件視界附近，造成引力的不穩(wěn)定性?？{說(shuō)：“我們希望可以看到與普通黑洞差異較大的引力信號(hào)?！?/p>

普林斯頓高等研究院的天體物理學(xué)家利亞·梅德羅斯表示，如果黑洞確實(shí)有毛發(fā)，并保留了一些有關(guān)黑洞過(guò)去的信息，那么這或許會(huì)對(duì)已故物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出的著名黑洞信息悖論產(chǎn)生影響。霍金的黑洞信息悖論提煉了20世紀(jì)物理學(xué)兩大支柱——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間的基礎(chǔ)矛盾。梅德羅斯說(shuō)：“如果你違反了（信息悖論）中的假設(shè)之一，你或許就能解決這個(gè)悖論本身。而其中一個(gè)假設(shè)就是無(wú)毛定理?！?/p>

解決信息悖論帶來(lái)的后果可能是廣泛的。梅德羅斯說(shuō)：“如果我們可以證明，黑洞外的實(shí)際黑洞時(shí)空與我們預(yù)期的不一樣，那么我想，這將會(huì)對(duì)廣義相對(duì)論造成巨大的影響?！?0月份，梅德羅斯參與的一篇論文探討了觀測(cè)到的黑洞幾何形狀是否與預(yù)測(cè)一致。

不過(guò)，最新論文中最令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)或許是，它提供了一種將黑洞觀測(cè)與基礎(chǔ)物理學(xué)相結(jié)合的辦法。探測(cè)黑洞的毛發(fā)（或許是宇宙中最極端的天體物理實(shí)驗(yàn)室），可以讓我們以前所未有的方式探索諸如弦論和量子引力等學(xué)說(shuō)。

梅德羅斯說(shuō)：“弦論和量子引力的主要問(wèn)題之一是我們很難驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)。所以，如果你有任何辦法，哪怕是遠(yuǎn)程驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)，都會(huì)令人大為驚奇?！?/p>

但事情并非一帆風(fēng)順。首先，我們無(wú)法確定近似極端黑洞是否存在。切斯勒說(shuō)，目前最先進(jìn)模擬產(chǎn)生的黑洞仍與極端黑洞存在30%的差距。其次，即便存在近似的極端黑洞，我們?nèi)圆磺宄Σㄌ綔y(cè)器是否足夠靈敏，可以檢測(cè)到黑洞毛發(fā)中的不穩(wěn)定性。

更重要的是，這些毛發(fā)的預(yù)期壽命極短，可能只有幾分之一秒。

不過(guò)至少?gòu)睦碚撋蟻?lái)看，該論文是可靠的。切斯勒說(shuō)：“我不認(rèn)為科學(xué)界會(huì)有人對(duì)其提出質(zhì)疑。這不是投機(jī)。只是愛(ài)因斯坦的方程是如此復(fù)雜，我們每年都可以發(fā)現(xiàn)它們的一些新特性。”

下一步，科學(xué)家們將探討他們應(yīng)該在引力波探測(cè)器中尋找怎樣的信號(hào)。這些引力波探測(cè)器包括目前已經(jīng)投入使用的LIGO和Virgo等引力波天文臺(tái)，或者像歐洲航天局的LISA等未來(lái)的天基探測(cè)器。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的天體物理學(xué)家赫爾維·維特克說(shuō)：“我們應(yīng)該以此為基礎(chǔ)，繼續(xù)計(jì)算出這種引力輻射的頻率，進(jìn)而弄清楚我們?cè)撊绾螠y(cè)量和識(shí)別這一引力輻射。下一步，我們將基于這一非常出色且重要的理論研究，找到實(shí)實(shí)在在的特征。”

科學(xué)家們也有充分的理由朝著這個(gè)方向繼續(xù)前進(jìn)。盡管證明論文是否正確的探測(cè)機(jī)會(huì)十分渺茫，但是這樣的發(fā)現(xiàn)不僅可以挑戰(zhàn)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，也可以證明近似極端黑洞的存在。

卡納說(shuō)：“我們很想知道這樣的怪物是否自然存在。這將對(duì)我們的研究領(lǐng)域產(chǎn)生極大的影響。”