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北京时间2月25日,双胞胎可能有着相同的基因蓝图,但从内在性格到外在发型,依然表现出种种差别。然则黑洞并没有那么差别。
凭据爱因斯坦引力理论,黑洞只能有三个特征:质量、自旋和电荷。若是随便两个黑洞的这三个值相同,我们就无法区分这两个黑洞。换句话说,黑洞没有毛。
哈佛大学理论物理学家保罗·切斯勒说:“在经典的广义相对论中,黑洞是完全一样的。你找不到任何区别。”
然则现在,科学家们已经最先嫌疑“无毛定理”是否完全正确。2012年,那时剑桥大学的数学家StefanosAreta(现在在多伦多大学事情)提出,一些黑洞的事宜视界可能存在不稳定性。这些不稳定性可以有效地在黑洞事宜视界的某些区域发生更强的引力,从而可以区分原本相同的黑洞。
但他的方程解释,这种情形可能只适用于极端黑洞,即质量、自旋或电荷三种特征中理论的黑洞。切斯勒说,据我们所知,“这些黑洞不可能存在,或者严格地说,它们不可能自然存在。”
然则若是有一个近似极端的黑洞呢?即一个特征值靠近极值但没有完全到达极值?理论上,这样的黑洞是可能的。我们能在这样的黑洞上观察到违反无毛定理的迹象吗?
上个月尾揭晓的一篇论文解释有这种可能。此外,论文还指出引力波观察站可以探测到这种“毛发”。
“艾瑞达指出,黑洞的视界中还剩下一些信息,”马萨诸塞州大学和罗德岛大学的物理学家、该论文的合著者之一戈拉夫·卡纳说。我们的论文开拓了丈量这种“毛发”的可能性。"
科学家们稀奇指出,黑洞形成的残余或黑洞后的扰动(如物质落入黑洞)可能导致类似于极端黑洞的事宜视界内或四周的引力不稳定。卡纳说:“我们希望看到与通俗黑洞截然差别的引力信号。”
普林斯顿高等研究院的天体物理学家利亚·梅德罗斯(LeahMederos)说,若是黑洞确实有毛发,并保留了一些关于黑洞已往的信息,可能会对已故物理学家斯蒂芬·霍金(StephenHawking)提出的黑洞信息悖论发生影响。霍金的黑洞信息悖论提炼了20世纪物理学的两大支柱——广义相对论和量子力学之间的基本矛盾。梅德罗斯说:“若是你违反了其中一个假设,你也许能解决悖论自己。其中一个假设是无毛定理。”
解决信息悖论的结果可能是普遍的。梅德罗斯说:“若是我们能证实黑洞外的现实黑洞时空与我们预期的差别,那么我以为这将对广义相对论发生伟大的影响。”10月,梅德罗斯合著的一篇论文讨论了观察到的黑洞几何形状是否与展望一致。
然而,也许论文中最令人兴奋的发现是,它提供了一种将黑洞观察与基础物理相结合的方式。探测黑洞的毛发(也许是宇宙中最极端的天体物理学实验室)可以让我们以亘古未有的方式探索弦理论、量子引力等理论。
梅德罗斯说:“弦理论和量子引力的主要问题之一是,我们很难验证这些展望。以是,若是你有什么设施,哪怕你远程验证这些展望,都市很神奇。”
然则事情并不顺遂。首先,我们无法确定近极端黑洞是否存在。(Chesler说进的模拟发生的黑洞和极端黑洞另有30%的差距。其次,纵然存在一个近似极端的黑洞,我们仍然不知道引力波探测器是否足够敏捷,能够探测到黑洞毛中的不稳定性。
更主要的是,这些毛发的预期寿命极短,可能只有几分之一秒。
但至少在理论上,这篇论文是可靠的。切斯勒说:“我以为科学界不会有人对此提出质疑。这不是预测。只是爱因斯坦的方程太庞大了,我们每年都能发现一些新的特征。”
接下来,科学家们将讨论他们应该在引力波探测器中寻找什么样的信号。这些引力波探测器包罗现在已经投入使用的LIGO、处女座等引力波观察站,或者欧洲航天局的LISA等未来天基探测器。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的天体物理学家赫维·维卡说:“我们应该在此基础上继续盘算这种重力辐射的频率,然后找出我们应该若何丈量和识别这种重力辐射。在下一步,我们将在这一而主要的理论研究的基础上找到切实的特征。”
科学家也有很好的理由朝着这个偏向前进。虽然证实论文正确性的机遇异常渺茫,但这一发现不仅可以挑战爱因斯坦的广义相对论,还可以证实近极端黑洞的存在。
卡纳说:“我们很想知道这样的怪物是否自然存在。这对我们的研究领域会有很大的影响。”