未解之谜 史蒂芬霍金的黑洞「无毛定理...

史蒂芬霍金的黑洞「无毛定理」错了吗?

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【新三才首发】回到2017年,重力波就像钟声一样响彻地球。当它穿过我们的太空时,它拉伸并挤压了地球上的每个人、蚂蚁以及科学仪器。现在,研究人员已经回过头来研究这个波,并在其中发现了隐藏的数据 —— 这些数据有助于确认数十年前的天体物理学概念。

这个2017年发现的重力波是一件大事:天文学家第一次有工具可以侦测并记录它的通过,称为雷射干涉仪重力波观测台(LIGO)。他们发现,第一个重力波是两个黑洞在太空的远处碰撞的结果。而现在,一个天体物理学家团队又重新审视了记录,并发现了其他人认为需要几十年才能发现的东西:精确地确认「无毛定理」。黑洞理论的这一重要特性至少可以追溯到20世纪70年代 —— 这是史蒂芬霍金一直备受质疑的理论。

当物理学家说黑洞没有「头发」时,麻省理工学院的物理学家,也是该论文的第一作者马克西米利亚诺伊西(Maximiliano Isi)说,他们的意思是天体物理学的对象非常单纯。黑洞仅在三个方面彼此不同:旋转速率,质量和电荷。而在现实世界中,黑洞的电荷可能差别不大,因此它们实际上只有在质量和旋转方面有所不同。物理学家称这些秃头物为「克尔黑洞」。

Isi告诉《Live Science》网志说,无毛让黑洞与宇宙中的其他物体大不相同。例如,当一个真正的钟声响起时,它会发出声波和一些无法察觉的、令人难以置信的微弱重力波。但黑洞则是一个更复杂的对象。钟是由一种材料制成的,例如青铜或铸铁,而根据无毛模型,黑洞都是均匀的奇点。每个钟也有一些独特的形状,而黑洞在空间中是无限小的无量纲点(无因次点),由球形事件视界所包围。钟的所有特征都可以在它发出的铃声中侦测出来 —— 至少如果你对钟和声波有所了解的话。Isi说,如果你能以某种方式侦测钟的重力波,你就会发现钟的成分和形状的差异。

「这整件事的秘密就在于波形 —— 这种拉伸和挤压的模式 —— 对信息源进行编码,造就成了这种重力波」,他告诉《Live Science》说。

Isi说,天文学家研究2017年的波,从中学到了很多关于催生出黑洞碰撞的知识。

但记录很微弱,而且并不详细。LIGO是世界上最好的重力波探测器,它使用雷射光测量华盛顿州L形图案中相距2.5英里(4公里)的镜子之间的距离。(Virgo,一个在意大利的类似探测器,也侦测到了)。当重力波经过LIGO时,它扭曲了时空本身并且稍微改变了镜子之间的距离。但Isi说,这些重力波的细节不足以让探测器记录下来。

「但这就像我们在很远的地方聆听一般」,Isi说。

当时,重力波提供了大量信息。黑洞的表现与预期一致。Isi说,没有明显的证据表明它没有事件视界(没有光可以逃脱的区域),并且它没有明显地偏离无毛定理。

但研究人员无法确认其中的许多观点,尤其是无毛定理。Isi说,研究波形中最简单的部分是在两个黑洞合并为一个较大的黑洞之后。它持续响了一段时间,非常像一个被敲击的钟,将多余的能量以重力波的方式送入太空 —— 天体物理学家称之为「响铃」的过程。

当时,研究LIGO数据的研究人员发现了响铃中只有一个波形。研究人员认为,可能需要数十年才能开发出足够灵敏的设备,以便在铃声中提取比较安静的泛音。但是,Isi的一位同事,加州理工学院的物理学家Matt Giesler发现,在碰撞发生后的短暂时期里,铃声非常激烈,使得LIGO记录的细节比往常更多。在那些时刻,波足够响亮,使得LIGO提取得到了一个泛音 —— 一个不同频率的波,非常像在敲响钟声时携带的微弱的二次音符。

在乐器中,泛音携带有大部分信息,使得乐器具有独特的声音。Isi说,重力波的泛音也是如此。这个新泛音的发现大大澄清了黑洞响铃的数据。

他说,这表明至少黑洞非常接近于「克尔黑洞」。无毛定理可用于预测泛音的样式,Isi和他的团队表明泛音几乎与预测值相符。然而,泛音的记录并不十分清晰,所以仍然有可能与定理所预测的约有10%的差异。

Isi说,为了得到更高的精确度,你需要从黑洞碰撞的波形中提取更清晰的泛音,或者构建比LIGO更敏感的仪器。

「物理学越来越接近了」,伊西说,「但你永远也无法确定」。

来自泛音的信号甚至可能不是真实的,而是由数据的随机变动造成的微量变化而产生。他们报告了泛音存在有「3.6σ可信度」。这意味着大约有6,300分之一的机率,泛音不是来自黑洞的真实信号。

Isi说,随着仪器的改进和更多的重力波被侦测到,所有这些数据都应该变得更加可信和精确。LIGO已经通过升级,使得侦测黑洞碰撞常规化。根据《物理世界》的说法,计划在2020年中期进行另一次升级,这应该能将其灵敏度提高十倍。一旦太空雷射干涉仪空间天线(LISA)在20世纪30年代中期发射后,天文学家应该能够确认至今仍无法确定的黑洞无毛程度。

然而,Isi说,黑洞也有可能没有完全秃顶 —— 它们可能会有一些量子毫毛,它们单纯的因为太软与太短至使我们的仪器无法探知。

(编译:心宇)

(责任编辑:姜启明)

(文章来源:新三才首发)

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