霍金证明错了？黑洞不仅有“头发”，还有可能被人类捕捉！？

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2021年1月的一项研究表明，极端黑洞可能会打破著名的“无毛”定理。而且，这种现象是可以被我们探测到的。

根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞仅有三种可观测的特性： 质 量、自旋和 电荷 。不存在其他额外的特性，比如长了“头发”。

黑洞之间甚至可能比同卵双胞胎还要相似 。双胞胎可能源自相同的基因蓝图，但在性格、发型等方面可能千差万别。而根据爱因斯坦的引力理论，黑洞只有三个特性：质量、自旋和电荷。 如果这三个值都相同，那么就无法区分这对儿黑洞“双胞胎” 。换言之，黑洞是没有“头发”的。

“在经典广义相对论中，黑洞‘双胞胎’完全相同，”哈佛大学理论物理学家保罗·切斯勒（Paul Chesler）表示道，“人们无法分辨两个黑洞之间的区别。”

然而，科学家们开始质疑“无毛定理”是否绝对成立。2012年，数学家斯特法诺斯·阿雷塔基斯（Stefanos Aretakis）提出了一种可能性。当时他任职于剑桥大学，现任职于多伦多大学。 阿雷塔基斯认为某些黑洞的事件视界上可能存在不稳定性 。这些不稳定性会导致黑洞视界的某些区域比其他区域的引力更强。这种特性或许能让原本无法区分的黑洞显现出差异性，从而实现彼此间的区分。

然而，他的方程仅表明， 这种情况只可能出 现在所谓 的极端黑洞中 。这类黑洞的质量、自旋或电荷中的某一项达到理论上的最大值。但据我们所知，“这些黑洞在自然界中是不存在的，”切斯勒表示道。

那么，如果是接近极端状态的黑洞呢？这种黑洞的特性接近极端黑洞，但未完全达到极端值。理论上，这样的黑洞是可能存在的。那么，它是否会存在可被探测到的违反“无毛定理”的情况呢？

2021年1月底发表的一篇论文表明， 黑洞可能拥有可探测的“头发”，且这种“头发”可通过引力波观测站探测到 。

“阿雷塔基斯的研究基本上暗示， 黑洞视界上可能存留某些信息 ，”论文合著者、马萨诸塞大学和罗德岛大学的物理学家高拉夫·卡纳（Gaurav Khanna）解释道，“我们的研究为测量这种‘头发’提供了可能性。”

研究人员特别提出， 黑洞形成时遗留的痕迹，或后期受到的干扰 （比如其他物质落入黑洞） 等因素，可能会在接近极端黑洞的事件视界或其附近产生引力不稳定现象 。“我们预计，这种黑洞发出的引力信号将与非极端的普通黑洞的信号大相径庭，”卡纳说道。

如果黑洞确实长了“头发”，也就是说能够保留一些关于其过去的信息，那么这可能对已故物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出的著名黑洞信息悖论产生影响。普林斯顿高等研究院的天体物理学家利亚·梅黛罗斯（Lia Medeiros）指出，该悖论揭示了20世纪物理学两大支柱—— 广义相 对论和量 子力学之间的根本冲 突 。梅黛罗斯表示：“如果你打破了信息悖论中的某个假设，就可能有机会解决这个悖论。其中一个假设就是‘无毛定理’。”

该结论将带来广泛的影响。梅黛罗斯女士表示：“如果我们能够证明黑洞外部的实际时空与预期不同，那么这将对广义相对论产生巨大的影响。”梅黛罗斯女士是2021年10月份一篇论文的合著者，该论文探讨了观测到的黑洞几何是否与理论预测一致。

然而，这篇论文最令人兴奋的地方在于，它可能提供一种将黑洞观测与基础物理学相结合的方法。在宇宙中最极端的天体物理实验室——黑洞上探测“头发”，可能让我们以前所未有的方式探究弦理论和量子引力等理论。

“事实证明，爱因斯坦的方程非常复杂，以至于我们每年都能发现它们的新特性。” ——保罗·切斯勒

“弦理论和量子引力面临的一大问题是，要验证这些预测困难重重，”梅黛罗斯表示，“所以，哪怕发现有任何一丁点可验证的物质，都很了不起。”

不过，现在仍然面临着重重障碍。 目前尚无法确定近乎极端的黑洞是否存在 。切斯勒表示， 目前最好的模拟通常只能生成距离极端状态还差30%的黑洞 。即使极端黑洞确实存在，也不确定引力波探测器是否足够灵敏，能否捕捉到这些“头发”引发的不稳定性信号。

此外， 这些“头发”预计存续时间非常短暂，仅能维持几分之一秒。

不过，至少从原理层面，这篇论文本身是可靠的。“我认为科学界内没有人会对此存疑，”切斯勒表示道。“这并非凭空揣测。只是爱因斯坦的方程太复杂了，所以我们几乎每年都在发现一些新特性。”

下一步应确定我们应该在引力波探测器中寻找的信号类型——无论是现有的 激光干涉引力波观测台 （LIGO-Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）和 室女座引力波探测器 （Virgo Gravitational Wave Detector），还是未来的其他探测器设备，比如欧洲航天局的 空间激光干涉仪 （LISA-Laser Interferometer Space Antenna）。

“现在需要在他们的基础上，进一步开展计算，真正计算出这种引力辐射的频率，并弄清楚如何测量和识别该频率，”伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校的天体物理学家赫尔维·维特克（Helvi Witek）说道。“下一步是将这项极其重要的理论研究转化为可观测的信号特征。”

促使我们开展这项研究的理由有很多。虽然验证该论文正确的探测机会渺茫，但 这样的发现不仅会挑战爱因斯坦的广义相对论，还能证明接近极端值的黑洞确实存 在 。

“我们很好奇，自然界是否真的允许这样的‘怪物’存在，”卡纳表示，“这将对我们的研究领域产生深远的影响。”

原文小更正

文章原版本暗示理论学家无法模拟距离极端状态小于30%的黑洞。事实上， 他们可以模拟出接近极端值的黑洞，只是其常规模拟的黑洞距离真正的极端状态通常还存在30%的差距。

作者：Jonathan O'Callaghan

翻译：边颖

审校：姬子隰

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编辑：姬子隰

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