未解之謎 史蒂芬霍金的黑洞「無毛定理...

史蒂芬霍金的黑洞「無毛定理」錯了嗎?

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【新三才首發】回到2017年,重力波就像鐘聲一樣響徹地球。當它穿過我們的太空時,它拉伸並擠壓了地球上的每個人、螞蟻以及科學儀器。現在,研究人員已經回過頭來研究這個波,並在其中發現了隱藏的數據 —— 這些數據有助於確認數十年前的天體物理學概念。

這個2017年發現的重力波是一件大事:天文學家第一次有工具可以偵測並記錄它的通過,稱為雷射干涉儀重力波觀測台(LIGO)。他們發現,第一個重力波是兩個黑洞在太空的遠處碰撞的結果。而現在,一個天體物理學家團隊又重新審視了記錄,並發現了其他人認為需要幾十年才能發現的東西:精確地確認「無毛定理」。黑洞理論的這一重要特性至少可以追溯到20世紀70年代 —— 這是史蒂芬霍金一直備受質疑的理論。

當物理學家說黑洞沒有「頭髮」時,麻省理工學院的物理學家,也是該論文的第一作者馬克西米利亞諾伊西(Maximiliano Isi)說,他們的意思是天體物理學的對象非常單純。黑洞僅在三個方面彼此不同:旋轉速率,質量和電荷。而在現實世界中,黑洞的電荷可能差別不大,因此它們實際上只有在質量和旋轉方面有所不同。物理學家稱這些禿頭物為「克爾黑洞」。

Isi告訴《Live Science》網誌說,無毛讓黑洞與宇宙中的其他物體大不相同。例如,當一個真正的鐘聲響起時,它會發出聲波和一些無法察覺的、令人難以置信的微弱重力波。但黑洞則是一個更複雜的對象。鐘是由一種材料製成的,例如青銅或鑄鐵,而根據無毛模型,黑洞都是均勻的奇點。每個鐘也有一些獨特的形狀,而黑洞在空間中是無限小的無量綱點(無因次點),由球形事件視界所包圍。鐘的所有特徵都可以在它發出的鈴聲中偵測出來 —— 至少如果你對鐘和聲波有所了解的話。Isi說,如果你能以某種方式偵測鐘的重力波,你就會發現鐘的成分和形狀的差異。

「這整件事的秘密就在於波形 —— 這種拉伸和擠壓的模式 —— 對信息源進行編碼,造就成了這種重力波」,他告訴《Live Science》說。

Isi說,天文學家研究2017年的波,從中學到了很多關於催生出黑洞碰撞的知識。

但記錄很微弱,而且並不詳細。LIGO是世界上最好的重力波探測器,它使用雷射光測量華盛頓州L形圖案中相距2.5英里(4公里)的鏡子之間的距離。(Virgo,一個在意大利的類似探測器,也偵測到了)。當重力波經過LIGO時,它扭曲了時空本身並且稍微改變了鏡子之間的距離。但Isi說,這些重力波的細節不足以讓探測器記錄下來。

「但這就像我們在很遠的地方聆聽一般」,Isi說。

當時,重力波提供了大量信息。黑洞的表現與預期一致。Isi說,沒有明顯的證據表明它沒有事件視界(沒有光可以逃脫的區域),並且它沒有明顯地偏離無毛定理。

但研究人員無法確認其中的許多觀點,尤其是無毛定理。Isi說,研究波形中最簡單的部分是在兩個黑洞合併為一個較大的黑洞之後。它持續響了一段時間,非常像一個被敲擊的鐘,將多餘的能量以重力波的方式送入太空 —— 天體物理學家稱之為「響鈴」的過程。

當時,研究LIGO數據的研究人員發現了響鈴中只有一個波形。研究人員認為,可能需要數十年才能開發出足夠靈敏的設備,以便在鈴聲中提取比較安靜的泛音。但是,Isi的一位同事,加州理工學院的物理學家Matt Giesler發現,在碰撞發生後的短暫時期裡,鈴聲非常激烈,使得LIGO記錄的細節比往常更多。在那些時刻,波足夠響亮,使得LIGO提取得到了一個泛音 —— 一個不同頻率的波,非常像在敲響鐘聲時攜帶的微弱的二次音符。

在樂器中,泛音攜帶有大部分信息,使得樂器具有獨特的聲音。Isi說,重力波的泛音也是如此。這個新泛音的發現大大澄清了黑洞響鈴的數據。

他說,這表明至少黑洞非常接近於「克爾黑洞」。無毛定理可用於預測泛音的樣式,Isi和他的團隊表明泛音幾乎與預測值相符。然而,泛音的記錄並不十分清晰,所以仍然有可能與定理所預測的約有10%的差異。

Isi說,為了得到更高的精確度,你需要從黑洞碰撞的波形中提取更清晰的泛音,或者構建比LIGO更敏感的儀器。

「物理學越來越接近了」,伊西說,「但你永遠也無法確定」。

來自泛音的信號甚至可能不是真實的,而是由數據的隨機變動造成的微量變化而產生。他們報告了泛音存在有「3.6σ可信度」。這意味著大約有6,300分之一的機率,泛音不是來自黑洞的真實信號。

Isi說,隨著儀器的改進和更多的重力波被偵測到,所有這些數據都應該變得更加可信和精確。LIGO已經通過升級,使得偵測黑洞碰撞常規化。根據《物理世界》的說法,計劃在2020年中期進行另一次升級,這應該能將其靈敏度提高十倍。一旦太空雷射干涉儀空間天線(LISA)在20世紀30年代中期發射後,天文學家應該能夠確認至今仍無法確定的黑洞無毛程度。

然而,Isi說,黑洞也有可能沒有完全禿頂 —— 它們可能會有一些量子毫毛,它們單純的因為太軟與太短至使我們的儀器無法探知。

(編譯:心宇)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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