從1783年，地理學(xué)家約翰·米歇爾首次提出黑洞的概念起，人們便開啟了對這個神秘天體的漫漫探索之路。

2019年4月10日，視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織發(fā)布了有史以來第一張黑洞圖像——5500萬光年外的M87超大質(zhì)量黑洞，人類第一次得以看到黑洞的真正面目。

黑洞最為人所知的特性之一就是任何事物都無法從黑洞中逃脫，包括光。因此，即使是極小規(guī)模的黑洞也不會向人們傳遞出任何關(guān)于它的起源或演變過程的線索。

第一張M87黑洞照片

圖源：Royal Institution

據(jù)推斷，銀河系中不僅充滿了數(shù)以億計的恒星，還擁有多達(dá)1億多個黑洞。但由于無法直接觀測到這些黑洞，人們難以從外觀上區(qū)分它們。

不同于雙胞胎之間的差別，雖然雙胞胎擁有相同的基因，但我們卻能從外貌、發(fā)型、甚至氣質(zhì)上將它們區(qū)分開來。

但根據(jù)霍金提出的“黑洞無毛理論”，黑洞只擁有三個可識別特征——質(zhì)量、角動量和電荷。如果存在兩個黑洞在這三個性質(zhì)上具有相同的值，理論上人們是無法區(qū)分這兩個黑洞的。

時間來到2021年，一項最新的研究表明，近似極值的黑洞很有可能存在“毛發(fā)”，即黑洞邊界可能攜帶可以探測到的信息，這很可能會打破著名的“黑洞無毛理論”。

黑洞（Black Hole），是現(xiàn)代廣義相對論中，存在于宇宙空間中的一種密度極大體積極小的天體。黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)尾期，能量耗盡消亡后，發(fā)生引力坍縮而產(chǎn)生的。

黑洞的引力非常強(qiáng)大，即使快如3萬米/秒的光速也不能超過其視界（黑洞的邊界）內(nèi)的逃逸速度。

因此，包括光在內(nèi)的任何物質(zhì)在靠近黑洞的過程中都會被其吸收無法逃脫，這也解釋了為什么黑洞無法直接被觀測到，只能通過間接方式證明它的存在。

黑洞并不“黑”，只是我們無法直接觀測到

圖源：pixabay

黑洞研究的進(jìn)展要從愛因斯坦在1915年提出廣義相對論說起，他在廣義相對論中提出了著名的引力場方程。

幾個月后，德國數(shù)學(xué)家史瓦西計算得到了引力場方程的第一個精確解，即我們現(xiàn)在知道的天體變?yōu)楹诙吹呐R界半徑——史瓦西半徑。當(dāng)星體坍陷至其史瓦西半徑，沒有任何作用力能阻擋星體繼續(xù)坍陷，繼而無法挽回的形成黑洞。

在證實(shí)了黑洞的存在后，1973年霍金提出了“黑洞無毛理論”：無論什么樣的黑洞，其最終性質(zhì)僅由幾個物理量，即質(zhì)量、角動量、電荷，唯一決定。

當(dāng)黑洞形成后，只剩下這三個不能變?yōu)殡姶泡椛涞氖睾懔浚?/span>其他一切信息（科學(xué)家稱之為“毛發(fā)”）都喪失了，不存在其他任何復(fù)雜的性質(zhì)。

如果兩個黑洞擁有相同的質(zhì)量、角動量和電荷值，就意味著它們是一模一樣、沒有絲毫差別的。哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家保羅·切斯勒表示，“在經(jīng)典的廣義相對論中，它們就是完全相同的，沒有任何方法能區(qū)分出它們?！?/span>

當(dāng)然這都是基于“黑洞無毛理論”的推斷，科學(xué)家們在論證每個理論時都格外謹(jǐn)慎，因此他們也始終懷疑是否所有的黑洞都嚴(yán)格遵守這個理論。

2012年，當(dāng)時在劍橋大學(xué)工作現(xiàn)在就職于多倫多大學(xué)的數(shù)學(xué)家斯特凡諾斯·阿雷塔基斯（Stefanos Aretakis）提出，某些黑洞在其視界上可能存在不穩(wěn)定性。

這些不穩(wěn)定性將會使黑洞視界上的某些區(qū)域擁有比其他區(qū)域更強(qiáng)的引力，這方面的差別便能讓原本完全相同的黑洞具備可區(qū)分性。

極值黑洞“毛發(fā)”仿真圖象

但是，他給出的方程解只能證明他的結(jié)論在極值黑洞中是成立的，而極值黑洞在自然界中是不可能存在的，因為極值黑洞在質(zhì)量、角動量或電荷這三個參數(shù)中會有某一個值達(dá)到最大。

盡管嚴(yán)格的黑洞是不存在的，但如果我們有一個無限逼近極值，卻沒有實(shí)際到達(dá)極限值的黑洞呢？這樣的黑洞至少在理論上是可以存在的，它有沒有可能違背“無毛理論”，在視界上具有能夠被探測到的不穩(wěn)定區(qū)域？

2021年1月底發(fā)表的這篇論文肯定了上述猜想的合理性，此外，論文還表示，黑洞的“毛發(fā)”可以用引力波天文臺探測到。

馬薩諸塞大學(xué)和羅德島大學(xué)的物理學(xué)家高拉夫·康納是這個研究的參與者之一，他說：“阿雷塔基斯認(rèn)為在黑洞視界上存在一些可以被探測到的信息，而我們的研究成果為探測這些信息（也可以稱之為“黑洞的毛發(fā)”）提供了可能性?！?/span>

值得一提的是，科學(xué)家們認(rèn)為，無論是黑洞形成時產(chǎn)生的殘留物，還是黑洞后期成長中出現(xiàn)的擾動，比如落入黑洞的物質(zhì)，都有可能在接近極值黑洞的視界或視界附近產(chǎn)生不穩(wěn)定引力。康納表示，他們期待在接近極值的黑洞上看到和普通黑洞迥然不同的引力信號。

普林斯頓高等研究院的天體物理學(xué)家莉雅·梅德羅斯表示，如果黑洞確實(shí)有“毛發(fā)”，并以此保留了一部分關(guān)于它們過去的歷史信息，這可能會與著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖論產(chǎn)生沖突。

黑洞不只“吃東西”，也會吐東西即熱輻射

圖源：Ashley Mackenzie for Quanta Magazine

何為黑洞信息悖論？首先，量子力學(xué)的基本要求即信息守恒，信息不會憑空出現(xiàn)，也不會憑空消失。其次，霍金在他的黑洞研究中曾提出過黑洞輻射的概念，黑洞在吞噬物質(zhì)時會對外產(chǎn)生輻射，然而熱輻射本身幾乎不攜帶信息。

這也就是說在一個星體掉入黑洞并被其吞噬的過程中，星體在黑洞中以霍金輻射的形式蒸發(fā)掉了，但黑洞和輻射均不攜帶信息，那么原來星體的所有信息都去了哪里呢？信息守恒定律被打破，這就是悖論之所在。

這個悖論濃縮了20世紀(jì)物理學(xué)兩大支柱——量子力學(xué)和廣義相對論之間的根本矛盾。黑洞信息悖論的存在說明我們很可能在處理黑洞時在某一個步驟上出了問題，甚至運(yùn)用了錯誤的理論基礎(chǔ)。

因此，梅德羅斯說：“如果能證實(shí)黑洞信息悖論的假設(shè)之一是錯誤的，你也許就能解決悖論本身，而信息悖論的其中一個假設(shè)就是無毛理論。”

圖源：Sakkmesterke/Science Source

當(dāng)人們探測到黑洞的“毛發(fā)”，由此產(chǎn)生的后果可能相當(dāng)廣泛。

“如果我們能證明黑洞外實(shí)際的時間空間與我們預(yù)期的不同，那么我認(rèn)為這將會對廣義相對論產(chǎn)生巨大的沖擊?！?/span>梅德羅斯說道。十月份，梅德羅斯合著的一篇論文討論了其探測到的黑洞幾何形狀是否與預(yù)測一致。

這篇最新發(fā)表的論文最令人興奮的地方在于，它提供了一種融合黑洞觀測和基礎(chǔ)物理學(xué)的方法。

或許在全宇宙最極限的天體物理實(shí)驗室里，通過探測黑洞上的“毛發(fā)”，可以讓我們以前所未有的方式探索諸多學(xué)說，例如弦論和量子引力等。

但梅德羅斯表示，弦論和量子引力的主要問題之一在于很難驗證這些預(yù)測的正確程度。因此，如果有任何能夠驗證這些預(yù)測的方法，甚至可以是遠(yuǎn)程的，那都將會是個重大進(jìn)步。

但探測黑洞“毛發(fā)”也并非易事。首先，我們無法確定近似極值黑洞是否真的存在。哈佛大學(xué)的切斯勒教授坦言，目前使用最先進(jìn)手段模擬出的黑洞與極值黑洞仍存在30%的差距。

其次，即使在近似極值黑洞存在的情況下，我們也不清楚現(xiàn)有引力波探測器的靈敏度是否可以做到探測到黑洞毛發(fā)中的引力不穩(wěn)定性。

最后，更重要的是，這種“毛發(fā)”非常難以捕捉，因為它的壽命極短，僅能存在不到一秒鐘的時間。

不過從理論上來看，這項研究成果還是比較合理的。切斯勒說：“我覺得科學(xué)界不會有人對其提出質(zhì)疑。這并不是無端推測，只是愛因斯坦的相對論方程是如此復(fù)雜，我們每年都可以從中發(fā)現(xiàn)它們的新特性?！?/span>

下一階段，研究人員們將會把精力放在應(yīng)該在引力波探測器上尋找什么樣的引力信號。

這些引力波探測器包括目前已經(jīng)投入使用的LIGO和Virgo等引力波天文臺，或者也有可能是美國國家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的太空中的引力波天文臺——激光干涉空間天線，LISA。

人類第一座太空中的引力波天文臺LISA 

圖源：New Scientist

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的天體物理學(xué)家海爾維·維特克表示：

“我們現(xiàn)在應(yīng)該在前人的研究基礎(chǔ)上，繼續(xù)計算出這種黑洞'毛發(fā)’的引力輻射頻率，并真正弄清楚我們該如何測量和識別這一引力輻射。進(jìn)而，我們將從這個非常出色且重要的理論研究延伸到黑洞'毛發(fā)’具體特征的探究?！?/span>

科學(xué)家們有充分的理由和動力在這一領(lǐng)域繼續(xù)探索。雖然驗證黑洞“毛發(fā)”存在理論是否正確的探測機(jī)會十分渺茫，但一旦發(fā)現(xiàn)黑洞視界上存在信息，這將不僅挑戰(zhàn)愛因斯坦的廣義相對論，也會證明近似極值黑洞的存在。

康納表示，“我們真的很想知道是否存在一個自然形成的近似極值的黑洞，這將對我們的研究領(lǐng)域產(chǎn)生翻天覆地的影響”。

參考：

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

2.https://journals./prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.L021502

3.https://www./article/2081000-listening-for-gravitational-waves-from-the-birth-of-the-universe/

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