“青春期”黑洞也爱放音乐？宇宙不是听不见声音吗？

成熟的黑洞像一个极其内向的人。它们不放出任何东西：不发光，不释放粒子，当然也不会发出任何音乐（霍金辐射是个有趣的例外。但对于具有天文尺寸的黑洞来说，它只是个极微弱的效应。）但是黑洞在进入成熟期之前，会经历一个短暂而狂野的“青春期”，期间这些新生的黑洞会释放出一种奇异而纯净的“音乐”。聆听黑洞之音将是一场美妙的体验。而我们很快就能做到。

当恒星坍缩或天体（如中子星或较小黑洞）合并产生新的黑洞时，构成它的物质也会被一并吞噬。一旦这些物质越过新形成的事件视界，就消失的无影无踪。这个初生的黑洞本身是时空的一种扭曲，它在自身引力的塑造下，会迅速达到一个稳定的形态。那些把恒星和行星塑造成几近完美球体（或者，如果它们在自转，就变成光滑椭球体）的力量，也在以更加强大的效应塑造着黑洞。

正因为它们吞噬了一切关于自身起源的痕迹，并将其所有外部的不规则抹平，黑洞达到了一种宏观物体中独一无二的数学上的完美。只需知道一个黑洞的质量和角动量，广义相对论方程就能以极高的精度预测出它代表的时空扭曲。正如约翰·惠勒那句生动的形容：“黑洞没有毛发。”

▲银河系中心黑洞的首张照片（图片来源：EHT合作组织）

然而，黑洞最终达到的这种静态的完美，只不过是它们故事的一部分，而且不是最有趣的部分。

设想两个相互绕转的母黑洞通过合并，形成了一个哑铃结构的新黑洞，中间由一条细长的颈部相连。这个新黑洞最初的形态歪斜且不稳定，要把它塑造成我前面所述的那种稳定而“完美”的黑洞，引力还需要做大量的雕琢工作。而在它雕琢时空的这个过程中，会产生涟漪，也就是引力波。这些引力波最终会传播到地球，被我们探测到。

这个趋于稳定过程的初期极其迅速、剧烈且复杂，就像是钟被敲响后的第一声巨响，又或是石子投入水中时溅起的第一朵水花。但随后而来的绵长而平稳的阶段，则更像是一段音乐。接下来是节目说明，帮助你们更好地欣赏这场即将上演的音乐盛宴。

我们听到的钟声，其实是空气的振动；而我们看到的石子投入平静湖面后泛起的水波，本质上也是一种振动，只不过它在水中传播。

初生黑洞所产生的波，本质和声波、水波类似，也是一种振动，但它是时空本身——而非空气或水——的振动。这类时空弯曲产生的波动被称为引力波。引力波传播的介质既不是空气也不是水，而是所谓的“真空”。所以，所谓的“真空”其实并不空——以太似乎依然存在！

▲引力波示意图

引力波从它们的源头向外传播，以光速穿越遥远的距离。典型的引力波源都非常遥远，因此当这些引力波最终抵达地球时，其能量已被耗散在极其广阔的空间中。所以这些波动在我们周围的空间引起的形变极其微小。尽管引力波理论早在数十年前就被广泛接受，但人类直到2015年才首次成功探测到它们。这一具有里程碑意义的发现，是LIGO（激光干涉引力波天文台）合作团队艰苦卓绝努力的结晶。他们所攻克的挑战，是探测仅有 10²²分之一 量级的极微弱距离变形。对于四英里长的LIGO探测仪器，这相当于亚原子尺度（事实上达到了亚核尺度）的距离变化！为了达到这样的灵敏度，他们发明了一系列新的测量手段与噪声抑制技术。

▲LIGO激光干涉引力波天文台

目前，全球范围内有十多个相关项目正在推进建设。这些项目融入了新的思路与技术改进。同时，人们也在积极探索将引力波探测器部署到太空中的可能性。那儿的噪声更低，空间也更广阔。中国的“太极计划”就是这一方向上的一项雄心勃勃的尝试。

▲空间引力波探测“太极计划”（图片来源：中国科学院）

随着技术的不断创新与投资的持续增加，科学家们将能够更全面地捕捉从宇宙深处传来的引力波。他们不仅能“听到”黑洞刚合并时的强烈撞击声，还能捕捉到随后那些更为轻柔、宛如音乐般的声音。在所谓的“振铃”阶段，新生黑洞已接近成熟，但仍残留着些许青春期的印记：能量过剩，不停地震荡与摇晃。换个形象的比喻就是：处于青春期的黑洞就像一口正在振动的钟，它已接近最终形态，但叠加了振动。这些振动拥有一个绝妙的名字：“准简正模式”(quasi-normal)。即使在我尚未理解这个术语的真正含义之前，这个词就让我觉得极富魅力，或许是因为我喜爱的人中，就有几位带着这种“准正常”的特质。而随着理解的愈加深入，它更是没有让我失望。

那么，到底什么是准简正模式呢？要回答这个问题，我得先解释一下什么是“简正模式”（也就是严格意义上的简正模式）。简正模式是系统的一种理想化的没有能量损耗的振动模式，具有完美的周期性（即纯音调）。一口在真空中振动的钟不会向外辐射声波，因此它的振动强度能够保持不变。此时它的真实振动非常接近简正模式。当然仍存在一些其他低效的消耗振动能量的传递方式，如转化成钟的热能。但在数学上，这些独立、无衰减的理想化振动模式更加方便处理。这就是“标准”的简正模式，它是基础物理、中级物理乃至大多数高等物理课程中的基础内容。而即便一个人已获得物理学博士学位，也可能从未接触过准简正模（我自己便是如此）。

准简正模式是在考虑了辐射等实际因素后的结果。这种辐射，对钟而言是声波，对黑洞而言则是引力波。工程师通常会比物理学家们更早的接触到准简正模式！

引入能量损耗会让数学计算变得更复杂，但也让它更贴近现实。最重要的是，它使振动强度随时间衰减。简正模的振荡是永恒不变的，而准简正模就如同真实的钟声，会逐渐消逝。

对于黑洞而言，采用常规的简正模进行描述并非好的选择，因为在这种情况下难以区分引发时空振动的引力与导致时空辐射的引力。我们需要从一开始就借助准简正模进行刻画。但目前的计算必须依赖超级计算机才能完成。近期有一篇高水平的相关综述文章，由68位作者共同撰写，引用了1587篇文献，全文长达269页，充满了复杂的公式。将优美精妙的数学理论与同样优美复杂的观测数据相互印证——这一令人振奋的前景激励着全球热忱勤奋的科学家们不断进取。

▲Black hole spectroscopy: from theory to experiment（图片来源：https://arxiv.org/abs/2505.23895）

当前一个新兴的前沿研究领域是探索量子力学对引力辐射的影响。尽管这一方向仍处于起步阶段，但我乐观地相信，在此领域我们将实现现代物理学的一个长久梦想，即观测到时空本身的量子涨落。

▲聆听黑洞之音

我们为何要关注黑洞的钟声呢？毕竟，世间存在无数其他的“乐器”，它们发出的声音更易被捕捉，而且我们还可以调试、优化它们，甚至创造出新的声音。而黑洞的钟声则不同，它是一项充满启发的挑战。之所以如此，某种程度上，正是因为我们无法干预它们，它们保持了原本的样子。这为我们带来了一项有趣而充满挑战的任务：去聆听并理解它们。

黑洞的钟声，是大自然赐予我们的一份馈赠，我们不可以辜负。“天体和谐”与“天籁之音”的思想，从古至今都承载了人类对宇宙的敬畏与向往。或许，没有哪种现象能比黑洞的钟声更清晰地体现这些思想了。

作者：Frank Wilczek

翻译：胡风、梁丁当

来源：墨子沙龙

原标题：“青春期”黑洞也爱放音乐？宇宙不是听不见声音吗？ | Wilczek's Multiverse (7)

编辑：凉渐

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