楠木軒

違反愛因斯坦的理論定律:這一黑洞新發現,打破了黑洞"無毛定理

由 諸葛寒香 發佈於 科技

一項新的研究表明,極端黑洞可以打破著名的 黑洞"無毛定理 ",而且是以我們可以探測到的方式。

根據愛因斯坦的廣義相對論,黑洞只有三個可觀測的性質:質量、自旋和電荷。其他屬性或“頭髮”是根本不存在的

在現實生活中,一對雙胞胎可能從相同的基因藍圖中生長出來,但他們可能有千差萬別——從氣質到髮型。然而,在天體宇宙最中,“同卵雙胞胎”在黑洞上卻什麼個性特徵都沒有,包括他們的一切信息(“毛髮”)。根據愛因斯坦的引力理論,黑洞只能有三個特徵——質量、自旋和電荷。如果對任何兩個黑洞來説,這些數值都是相同的,那麼就不可能從另一個黑洞中分辨出一個孿生黑洞。因為,從這一觀點認為,黑洞雙胞胎之間是沒有任何“毛髮”可區分的,因為它們根本就沒有。這就是如今熟知的黑洞“無毛定理”。

“在經典廣義相對論中,它們是完全相同的。”哈佛大學的理論物理學家保羅·切斯勒( Paul Chesler)表示,“你根本看不出有什麼不同。”

然而,科學家們開始懷疑黑洞“無毛定理”是否完全正確。2012年,一位名叫斯特凡諾斯·阿羅塔基斯(Stefanos Aretakis)的數學家(當時在劍橋大學,現在在多倫多大學)提出,一些黑洞的事件視界可能存在不穩定性。這些不穩定性實際上,將有效地給黑洞地平線上的某些區域帶來比其他區域更強的引力。這將使原本相同的黑洞變得可分辨。

然而,他的方程只表明,這對於所謂的極端黑洞——那些質量、自旋或電荷都有可能達到最大值的黑洞,是可能的。而據我們所知,“這些黑洞不可能存在,至少在自然界是完全不可能的。”斯特凡諾斯説。

但是如果你有一個接近極限的黑洞——一個接近這些極限值,但又沒有完全達到的黑洞呢?至少在理論上,這樣的黑洞應該是能夠存在的。它是否可以探測到違反“黑洞無毛定理”的情況?

在上個月底發表的一篇論文顯示,這種可能是存在的。此外,這種黑洞“毛髮”可以被引力波天文台探測到。

“阿羅塔基斯(Aretakis)基本上認為,有一些信息是留在視界上。”馬薩諸塞大學和羅得島大學的物理學家、合著者之一高拉夫·汗納(Gaurav Khanna)説:“我們的論文揭示了測量這種'毛髮'的可能性。”

另外,科學家們都普遍認為,無論是黑洞形成的殘餘物,還是後來的擾動,如物質落入黑洞,都可能在接近極限黑洞的或視界附近造成引力不穩定性。“我們預計,我們看到的引力信號將與普通的非極值黑洞有很大不同,”漢納(Khanna)説。

新澤西州普林斯頓高級研究所的天體物理學家莉亞·梅德羅斯(Lia Medeiros)表示,如果黑洞確實有"毛髮"——從而保留了一些關於它們過去的信息,這可能意味着已故物理學家斯蒂芬·霍金提出的著名的黑洞信息悖論將產生影響。這個悖論提煉出了廣義相對論和量子力學之間的本質衝突,這是20世紀物理學的兩大支柱。“如果你違反了(信息悖論)的其中一個假設,你也許就能解決悖論本身。”梅德羅斯(Medeiros)説:“其中一個假設是黑洞'無毛定理'。”

這方面的影響可能是廣泛的。梅德羅斯(Medeiros)認為:"如果我們能證明黑洞外部的實際時空與我們預期的不同,那麼我認為這將對廣義相對論產生非常巨大的影響。"他在去年10月份共同撰寫了一篇論文,論述了觀測到的黑洞幾何形狀是否與預測一致。

然而,這篇最新論文最令人興奮的方面是——它可以提供一種將黑洞的觀測與基本物理學合併的方法。探測黑洞上的“毛髮”——也許是宇宙中最極端的天體物理實驗室,可以讓我們以一種前所未有的方式探究弦理論和量子引力等觀點。

事實證明,愛因斯坦的方程是如此複雜,以至於我們每年都在發現它們的新特性。——保羅·切斯勒(Paul Chesler)

"弦論和量子引力的一個大問題是——要檢驗這些預測真的很難。"梅德羅斯(Medeiros)説:"所以,如果你有任何可以檢測其的儀器,那就太厲害了。"

然而,還有一些主要的障礙:目前還不能確定近近極值黑洞是否存在。(切斯勒認為,目前最好的模擬通常產生的黑洞離極限狀態還有30%的距離)。而即使它們真的存在,也不清楚引力波探測器是否會有足夠的靈敏度,從黑洞“毛髮”上發現這些不穩定性。更重要的是,預計“毛髮”的壽命會非常短,只持續幾分之一秒。

但該論文本身,至少在原則上,似乎是合理的。"我不認為在公眾上會有人懷疑它。"切斯勒(Chesler)表示:"這不是推測。只是事實證明愛因斯坦的方程是如此複雜,以至於我們每年都會發現它們的新特性。"

下一步工作,科學家們將會在引力探測器中尋找什麼樣的信號——要麼是現在運行的LIGO和Virgo,要麼是未來的儀器,比如歐洲航天局的太空LISA儀器。

"人們現在應該以他們的工作為基礎,真正計算出這種引力輻射的頻率,並瞭解我們如何測量和識別它。"伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的天體物理學家赫爾維·維泰克(Helvi Witek)説:"從這個非常有用、重要的理論研究轉向什麼方向,這將是下一步工作的標誌。"

想要這樣做的理由很多。雖然能證明論文正確性的探測機會很小,但這樣的發現不僅能挑戰愛因斯坦的廣義相對論,還能證明近極值黑洞的存在。"我們很想知道大自然是否會允許這樣的野獸存在。"漢納(Khanna)説:"這將對我們這些專業領域產生相當戲劇性的影響。"

撰寫:GolevkaTech

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