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2021年1月的一項(xiàng)研究表明，極端黑洞可能會(huì)打破著名的“無(wú)毛”定理。而且，這種現(xiàn)象是可以被我們探測(cè)到的。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，黑洞僅有三種可觀測(cè)的特性： 質(zhì) 量、自旋和 電荷 。不存在其他額外的特性，比如長(zhǎng)了“頭發(fā)”。

黑洞之間甚至可能比同卵雙胞胎還要相似 。雙胞胎可能源自相同的基因藍(lán)圖，但在性格、發(fā)型等方面可能千差萬(wàn)別。而根據(jù)愛因斯坦的引力理論，黑洞只有三個(gè)特性：質(zhì)量、自旋和電荷。 如果這三個(gè)值都相同，那么就無(wú)法區(qū)分這對(duì)兒黑洞“雙胞胎” 。換言之，黑洞是沒有“頭發(fā)”的。

“在經(jīng)典廣義相對(duì)論中，黑洞‘雙胞胎’完全相同，”哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家保羅·切斯勒（Paul Chesler）表示道，“人們無(wú)法分辨兩個(gè)黑洞之間的區(qū)別?！?/p>

然而，科學(xué)家們開始質(zhì)疑“無(wú)毛定理”是否絕對(duì)成立。2012年，數(shù)學(xué)家斯特法諾斯·阿雷塔基斯（Stefanos Aretakis）提出了一種可能性。當(dāng)時(shí)他任職于劍橋大學(xué)，現(xiàn)任職于多倫多大學(xué)。 阿雷塔基斯認(rèn)為某些黑洞的事件視界上可能存在不穩(wěn)定性 。這些不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致黑洞視界的某些區(qū)域比其他區(qū)域的引力更強(qiáng)。這種特性或許能讓原本無(wú)法區(qū)分的黑洞顯現(xiàn)出差異性，從而實(shí)現(xiàn)彼此間的區(qū)分。

然而，他的方程僅表明， 這種情況只可能出 現(xiàn)在所謂 的極端黑洞中 。這類黑洞的質(zhì)量、自旋或電荷中的某一項(xiàng)達(dá)到理論上的最大值。但據(jù)我們所知，“這些黑洞在自然界中是不存在的，”切斯勒表示道。

那么，如果是接近極端狀態(tài)的黑洞呢？這種黑洞的特性接近極端黑洞，但未完全達(dá)到極端值。理論上，這樣的黑洞是可能存在的。那么，它是否會(huì)存在可被探測(cè)到的違反“無(wú)毛定理”的情況呢？

2021年1月底發(fā)表的一篇論文表明， 黑洞可能擁有可探測(cè)的“頭發(fā)”，且這種“頭發(fā)”可通過引力波觀測(cè)站探測(cè)到 。

“阿雷塔基斯的研究基本上暗示， 黑洞視界上可能存留某些信息 ，”論文合著者、馬薩諸塞大學(xué)和羅德島大學(xué)的物理學(xué)家高拉夫·卡納（Gaurav Khanna）解釋道，“我們的研究為測(cè)量這種‘頭發(fā)’提供了可能性?！?/p>

研究人員特別提出， 黑洞形成時(shí)遺留的痕跡，或后期受到的干擾 （比如其他物質(zhì)落入黑洞） 等因素，可能會(huì)在接近極端黑洞的事件視界或其附近產(chǎn)生引力不穩(wěn)定現(xiàn)象 ?！拔覀冾A(yù)計(jì)，這種黑洞發(fā)出的引力信號(hào)將與非極端的普通黑洞的信號(hào)大相徑庭，”卡納說道。

如果黑洞確實(shí)長(zhǎng)了“頭發(fā)”，也就是說能夠保留一些關(guān)于其過去的信息，那么這可能對(duì)已故物理學(xué)家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出的著名黑洞信息悖論產(chǎn)生影響。普林斯頓高等研究院的天體物理學(xué)家利亞·梅黛羅斯（Lia Medeiros）指出，該悖論揭示了20世紀(jì)物理學(xué)兩大支柱—— 廣義相 對(duì)論和量 子力學(xué)之間的根本沖 突 。梅黛羅斯表示：“如果你打破了信息悖論中的某個(gè)假設(shè)，就可能有機(jī)會(huì)解決這個(gè)悖論。其中一個(gè)假設(shè)就是‘無(wú)毛定理’?！?/p>

該結(jié)論將帶來廣泛的影響。梅黛羅斯女士表示：“如果我們能夠證明黑洞外部的實(shí)際時(shí)空與預(yù)期不同，那么這將對(duì)廣義相對(duì)論產(chǎn)生巨大的影響?！泵拂炝_斯女士是2021年10月份一篇論文的合著者，該論文探討了觀測(cè)到的黑洞幾何是否與理論預(yù)測(cè)一致。

然而，這篇論文最令人興奮的地方在于，它可能提供一種將黑洞觀測(cè)與基礎(chǔ)物理學(xué)相結(jié)合的方法。在宇宙中最極端的天體物理實(shí)驗(yàn)室——黑洞上探測(cè)“頭發(fā)”，可能讓我們以前所未有的方式探究弦理論和量子引力等理論。

“事實(shí)證明，愛因斯坦的方程非常復(fù)雜，以至于我們每年都能發(fā)現(xiàn)它們的新特性?！?——保羅·切斯勒

“弦理論和量子引力面臨的一大問題是，要驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)困難重重，”梅黛羅斯表示，“所以，哪怕發(fā)現(xiàn)有任何一丁點(diǎn)可驗(yàn)證的物質(zhì)，都很了不起?！?/p>

不過，現(xiàn)在仍然面臨著重重障礙。 目前尚無(wú)法確定近乎極端的黑洞是否存在 。切斯勒表示， 目前最好的模擬通常只能生成距離極端狀態(tài)還差30%的黑洞 。即使極端黑洞確實(shí)存在，也不確定引力波探測(cè)器是否足夠靈敏，能否捕捉到這些“頭發(fā)”引發(fā)的不穩(wěn)定性信號(hào)。

此外， 這些“頭發(fā)”預(yù)計(jì)存續(xù)時(shí)間非常短暫，僅能維持幾分之一秒。

不過，至少?gòu)脑韺用妫@篇論文本身是可靠的?！拔艺J(rèn)為科學(xué)界內(nèi)沒有人會(huì)對(duì)此存疑，”切斯勒表示道。“這并非憑空揣測(cè)。只是愛因斯坦的方程太復(fù)雜了，所以我們幾乎每年都在發(fā)現(xiàn)一些新特性?！?/p>

下一步應(yīng)確定我們應(yīng)該在引力波探測(cè)器中尋找的信號(hào)類型——無(wú)論是現(xiàn)有的 激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái) （LIGO-Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）和 室女座引力波探測(cè)器 （Virgo Gravitational Wave Detector），還是未來的其他探測(cè)器設(shè)備，比如歐洲航天局的 空間激光干涉儀 （LISA-Laser Interferometer Space Antenna）。

“現(xiàn)在需要在他們的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展計(jì)算，真正計(jì)算出這種引力輻射的頻率，并弄清楚如何測(cè)量和識(shí)別該頻率，”伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校的天體物理學(xué)家赫爾維·維特克（Helvi Witek）說道?！跋乱徊绞菍⑦@項(xiàng)極其重要的理論研究轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)的信號(hào)特征?！?/p>

促使我們開展這項(xiàng)研究的理由有很多。雖然驗(yàn)證該論文正確的探測(cè)機(jī)會(huì)渺茫，但 這樣的發(fā)現(xiàn)不僅會(huì)挑戰(zhàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，還能證明接近極端值的黑洞確實(shí)存 在 。

“我們很好奇，自然界是否真的允許這樣的‘怪物’存在，”卡納表示，“這將對(duì)我們的研究領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?！?/p>

原文小更正

文章原版本暗示理論學(xué)家無(wú)法模擬距離極端狀態(tài)小于30%的黑洞。事實(shí)上， 他們可以模擬出接近極端值的黑洞，只是其常規(guī)模擬的黑洞距離真正的極端狀態(tài)通常還存在30%的差距。

作者：Jonathan O'Callaghan

翻譯：邊穎

審校：姬子隰

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今天我們將送出由湖南科學(xué)技術(shù)出版社提供的《從此世間有稀土》。

翻到化學(xué)教科書的最后，你是否曾好奇過元素周期表下面為什么另排了兩行元素？尤其第一行，那一個(gè)個(gè)千奇百怪的生僻名字都是誰(shuí)取的？該怎么念？對(duì)應(yīng)的元素長(zhǎng)什么樣？有什么用？如果你也曾有過這些疑問，那么這本書就是為你準(zhǔn)備的。

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【互動(dòng)問題：你認(rèn)為科學(xué)探索中“意外發(fā)現(xiàn)”與“理論預(yù)測(cè)”的關(guān)系是什么？】

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編輯：姬子隰

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