圖片來源：D. COE, J. ANDERSON和R. VAN DER MAREL（太空望遠鏡科學研究所），美國宇航局，歐洲航天局

1973年，史蒂芬·霍金等人證明了無毛定理（No Hair Theorem）。根據這個(ge) 理論，黑洞隻有質量、角動量以及電荷這三個(ge) 不能變為(wei) 電磁輻射的守恒量，其他的信息全都喪(sang) 失了。

撰文 | 王昱

審校 | 吳非

雙胞胎之間的差異遠遠大於(yu) 黑洞之間的差異。雙胞胎可能擁有相同的基因藍本，但是他們(men) 卻能在氣質、外貌甚至是發型上，展現出各自的差異。但對於(yu) 黑洞，根據愛因斯坦的引力理論，隻能擁有三個(ge) 特征——質量、自旋和電荷。如果兩(liang) 個(ge) 黑洞的這些值都相同的話，就不可能區分兩(liang) 個(ge) 黑洞。黑洞上麵沒有能讓我們(men) 區分它們(men) 的“毛發”，這就是著名的黑洞無毛定理。

哈佛大學理論物理學家保羅·切斯勒（Paul Chesler）說：“在經典廣義(yi) 相對論中，它們(men) 是完全一樣的，你不可能找到任何區別。”

接連浮現的問題

然而，科學家們(men) 已經開始考慮無毛定理是否完全正確。2012年，當時在劍橋大學（現在任職於(yu) 多倫(lun) 多大學）的數學家斯特凡諾斯· 阿雷塔基斯（Stefanos Aretakis）提出，一些黑洞在其事件視界中可能具有不穩定性。這些不穩定性將會(hui) 在事件視界上的某些區域中產(chan) 生更強的引力，讓原本全同的黑洞變得可以區分。

然而，他的方程僅(jin) 僅(jin) 適用於(yu) 極端黑洞，即質量、自旋和電荷這3個(ge) 特征中，有一個(ge) 是理論上的最大值。據我們(men) 所知，“這些黑洞不可能存在，或者確切地說，不可能自然存在。”切斯勒說。

但如果一個(ge) 黑洞，其中一個(ge) 屬性值逼近極端值，卻沒有達到極端值呢？例如，近日國家天文台等對天鵝座X1（Cygnus X-1）的精確測量結果顯示，其中黑洞的自旋參數已經大於(yu) 0.95，非常接近理論極限值1（換種說法，該黑洞的自轉速度大於(yu) 光速的95%）。那這樣接近極限卻還沒有達到極限的黑洞，會(hui) 有可檢測到的違背無毛定理的行為(wei) 嗎？

天鵝座X1想象圖（圖片來源：國家天文台、國際射電天文研究中心）

並非鏡花水月

上個(ge) 月底在《物理評論D》雜誌上發表的一篇論文表示，的確可能會(hui) 有這樣的行為(wei) 。此外，這種“毛發”可以被引力波探測站觀測到。

馬薩諸塞大學和羅得島大學的物理學家、合著者之一的高拉夫·汗納（Gaurav Khanna）表示：“阿雷塔基斯的研究提出，事件視界上殘留有一些信息，而我們(men) 的論文開辟了測量這種‘毛發’的可能。”

值得注意的是，科學家認為(wei) 要麽(me) 是黑洞信息的殘餘(yu) 物，要麽(me) 是黑洞隨後受到的擾動（比如落入黑洞的物質），能在接近極限黑洞的事件視界上或者附近造成這種引力不穩定性。汗納說：“我們(men) 期待能看到和普通黑洞差異頗大的引力信號。”

普林斯頓高等研究院的天體(ti) 物理學家莉婭·梅德羅斯表示，如果黑洞的確保有“毛發”，並以此保留了一部分關(guan) 於(yu) 它們(men) 過去的信息，這可能會(hui) 對著名物理學家史蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖論產(chan) 生衝(chong) 擊。這個(ge) 悖論提煉了20世紀物理學兩(liang) 大支柱——量子力學和廣義(yi) 相對論之間最基礎的矛盾。梅德羅斯說：“如果你違反了（信息悖論的）假設之一，你或許就能解決(jue) 這個(ge) 悖論本身。而其中一個(ge) 假設就是無毛定理。”

由此造成的後果可能很廣泛。“如果我們(men) 能證明黑洞外實際的黑洞時空與(yu) 我們(men) 的預期不同，那麽(me) 我認為(wei) 這將會(hui) 對廣義(yi) 相對論產(chan) 生巨大的衝(chong) 擊。”梅德羅斯這樣說道。

而上個(ge) 月底這篇論文中最令人激動的發現是，它可以提供一種將黑洞觀測與(yu) 基礎物理學相結合的方法。探測黑洞上的“毛發”，這或許是全宇宙最極端的天體(ti) 物理實驗室，可以允許我們(men) 以某種前所未有的方式研究一些學說，例如弦論和量子引力等。

梅德羅斯說：“弦論和量子引力的一大問題是，基於(yu) 它們(men) 的預測往往非常難以檢驗。所以如果有任何辦法，甚至僅(jin) 僅(jin) 是遠程來檢驗這些理論，都是非常驚人的。”

絕非易事

然而，還存在一些重大障礙。目前還不清楚近極端的黑洞是否廣泛存在，天文學家可以模擬極端黑洞，但目前模擬產(chan) 生的黑洞都至少和“極端”存在30%的差距。並且即使這些黑洞是極端的，也不清楚引力波探測器是否足夠靈敏，能從(cong) 這些“毛發”發現不穩定性。

黑洞數值模擬（圖片來源：事件視界望遠鏡）

更重要的是，這些“毛發”的預期壽命短得要命，持續時間隻有幾分之一秒。

不過至少從(cong) 理論上來講，論文本身是可靠的。“我不認為(wei) 科學界的任何人會(hui) 懷疑它，”切斯勒說，“這並非投機，隻是愛因斯坦的方程太過複雜，我們(men) 每年都能發現它的新特性。”

科學家下一步的目標，是確定它們(men) 要在引力波探測器中尋找怎樣的信號。這樣的探測器既包括LIGO、Virgo這樣正在運行的地基探測器，也包含將來歐洲航天局的LISA（Laser Interferometer Space Antenna，空間激光幹涉儀(yi) ），以及我國的天琴計劃和太極計劃這樣的天基探測器。

“人們(men) 應該在現有工作的基礎上再接再厲，計算這種引力輻射的頻率，從(cong) 而理解我們(men) 應該如何通過探測來證認它，”伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校的天體(ti) 物理學家海爾維·維特克（Helvi Witek）說，“下一步是從(cong) 這些理論中研究得出（黑洞毛發的）特征。”

對於(yu) 這樣的嚐試，科學家有著充足的理由。雖然通過探測證明論文正確的機會(hui) 渺茫，但這樣的發現不僅(jin) 僅(jin) 會(hui) 挑戰愛因斯坦的廣義(yi) 相對論，也證明了近極端黑洞的存在。

“我們(men) 很想知道自然是否允許這樣的怪物存在，”汗納說，“這將對我們(men) 的研究領域產(chan) 生戲劇性的影響。”

參考鏈接：

https://www.quantamagazine.org/in-violation-of-einstein-black-holes-might-have-hair-20210211/

https://www.bao.ac.cn/xwzx/kydt/202102/t20210219_5892577.html

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