【Wired 硬塞】愛因斯坦如果知道黑洞有「毛」,心裡可能也會發毛

廣義相對論認為黑洞只有三個可觀察到的物理量,但其他的物理量,或者我們所謂的「毛」,到底存不存在呢?
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示意圖非真實科學畫面。Photo Credit: Shutterstock / 達志影像
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原文來自 Wired《Don’t Tell Einstein, but Black Holes Might Have ‘Hair’》,作者 Jonathan O'Callaghan。台灣康泰納仕集團授權提供,本文由譯者 Amber Peng 翻譯並經 INSIDE 編審。

黑洞比同卵雙胞胎更難辨識,因為同卵雙胞胎即使有同樣的基因組,在許多地方例如個性、髮型上仍可以看出差別。不過,根據愛因斯坦的重力理論,黑洞只有三個特徵:質量、角動量、電荷。若這三個特徵都是一樣的,就無法區別不同的黑洞了。因此對科學家而言,黑洞可以取得的訊息非常少,就像一個光禿禿的物體,連根毛髮也沒有,因此就有了「黑洞無毛定理」一說。

哈佛大學理論物理學家保羅・切思勒(Paul Chesler)就表示:「就傳統的廣義相對論而言,如果兩個黑洞的質量、角動量、電荷都相等,的確無法辨別之。」

但是現在科學家開始質疑無毛定理了。曾經任教於劍橋大學,現任教於多倫多大學的數學家史代方諾・亞瑞塔奇思(Stefanos Aretakis)就在 2012 年時指出某些黑洞的事件視界(event horizon)可能不太穩定,因此黑洞視界某些區域的重力牽引確實會比較強,利用這點就可以加強辨別不同的黑洞了。

但是亞瑞塔奇思的猜測只可能發生在極值黑洞上──質量、角動量或電荷達最大極限值的黑洞──而切思勒指出:「這種黑洞根本不可能存在,至少在自然界中是如此。」

但是,假如說世界上存在「近」極值黑洞呢?也就是說物理量接近、但是還沒達最大極限值的黑洞,這種黑洞理論上是可能存在的,那麼有沒有可能無毛定理就被推翻了呢?

上個月(2021年1月)發表的一篇研究證實了這種可能性,而且這種特徵可能藉由重力波探測器觀察到。

麻州大學與羅德島大學的物理學家,同時也是該研究的共同作者高拉夫・卡納(Gaurav Khanna)表示:「基本上亞瑞塔奇思的意思是,視界可以提供一些有用的資訊,而我們的研究就是找出可行的觀測方法。」

尤其是黑洞形成時,或是黑洞擾動的殘留物,例如被吸進黑洞裡的物質,可能讓近極值黑洞的事件視界本身或周邊區域的重力變得不穩定。卡納指出:「我們認為一般黑洞的重力訊號跟極值黑洞很不一樣。」

普林斯頓高等研究院的天體物理學家莉亞・米德羅斯(said Lia Medeiros)表示,假如黑洞真的有「毛」,那麼這些毛就可以讓我們一窺黑洞的過去,這也可能解決近代物理學家霍金(Stephen Hawking)提出的黑洞資訊悖論。這項悖論是 20 世紀物理界兩大顯學──廣義相對論和量子力學──間的矛盾大對決。米德羅斯進一步指出:「如果可以證明(資訊悖論)中的某項假設是錯的,那麼這項悖論就可能被破解,而資訊悖論的其中一項假設就是無毛定理。」

該論述的影響可能非常廣泛。米德羅斯表示:「如果可以證明黑洞外的時空跟我們想的不同,那麼這將對廣義相對論造成極大的影響。」米德羅斯和其他學者在十月份共同發表了一篇關於黑洞幾何的論文,這篇論文最吸睛之處應該是它提供了一個方法將黑洞的觀測與基本物理學結合起來。黑洞也許是世界上最極端的天體實驗室,而觀測黑洞可以讓我們用前所未有的方式去探索弦理論和量子力學的觀點。

米德羅斯表示:「研究弦理論和量子力學最大的挑戰就是很難驗證這些理論,但如果可以從遙遠的地方取得可測試的資料,那真是太棒了。」

不過,現實中還有許多問題要克服,比如說,沒有人能確定近極值黑洞是否真的存在(切思勒表示目前模擬出最接近的結果距離極值還差百分之三十)。但就算近極值黑洞真的存在,我們也不確定重力波觀測器是否靈敏到能捕捉視界的不穩定性。再者,這些不穩定的區塊也會非常快速的消失,不到一秒就不見了。

但是這份研究,至少從理論的角度來看,還是站得住腳的。切思勒表示:「我認為沒有一位學界人士會質疑這份研究,論述都很合理,只是愛因斯坦的理論實在太複雜了,我們每年都還會有新發現。」

我們要做的下一步就是從重力波探測器找出有用的訊號,目前運作中的設備有美國的 LIGO 和義大利的 Virgo,未來歐洲太空總署也將啟用開路者號 LISA。

伊里諾大學香檳分校的天體物理學家荷薇・薇媞(Helvi Witek)表示:「根據這項研究,首先我們應該要計算出重力波的頻率,接著再找出測量並識別它們的方法。有了這項非常重要的理論性研究後,我們的下一步是找出具有代表意義的實質數據。」

這麼做的好處很多,雖然捕捉到可以證明該研究的資料的機會很渺茫,但如果真有什麼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。

卡納表示:「我們很想知道自然界是否允許極值黑洞這樣的怪物存在,如果它真的存在,將對我們的領域造成戲劇性的影響。」

責任編輯:Chris