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长毛的黑洞是什么样的? | 维尔切克专栏


第十五回 | 黑洞有毛



撰文 | 弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)

翻译 | 胡风 梁丁当



众所周知,质量巨大的恒星在坍缩时会形成黑洞——一个光与任何其他形式的物质都无法逃离的空间区域。科学家相信,包括我们银河系在内,许多星系的中心都存在超大质量黑洞,其质量比我们的太阳大数百万到数十亿倍。顾名思义,黑洞是看不见的,但我们却可以根据它对周围物体运动的影响推测出它的存在。


多年以来,物理学家普遍认为——用“黑洞”一词的发明者、传奇物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)的话来说 —— “黑洞无毛”。也就是说,任何掉进黑洞的东西都会彻底湮灭,不会在外部留下任何痕迹。如果惠勒是对的,那么黑洞是一个很好预测的物体。它的所有性质只由三个参数决定:总质量、角动量和电荷。这种惊人的简单性与恒星或行星形成了鲜明的对比——后者形状繁多、大小各异,有着不同的化学成分、内部分层和大气构成。


但惠勒的观点在近几年遭到了量子力学的有力挑战。量子力学中的基本方程沿时间向前演化和向后演化的方式是一样的,即具有时间反演对称性。这意味着宇宙必然容纳了足够的信息来完整地重建它的过去。可如果“黑洞无毛”,过去的信息就丢失了,我们就无法准确地判断它们是如何形成的。这样一来,宇宙过去的状态就不可能确定了,这不符合量子力学定律。


因此,按照量子力学,黑洞应该与形成它们的母体恒星一样,是独一无二的,具有丰富的特征。一种可能的解释是,有关黑洞历史的证据藏在“量子毛”中。这种量子毛是黑洞发射的某种我们还尚未发现的荷,其影响比电荷更弱或更微妙。另一种解释是斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)倡导的“软毛”理论。该理论认为,黑洞引力场的细微改变中残存着关于黑洞信息的零星记录。此外还有很多种解释,它们并不互相排斥,可能只有一两个是对的,也可能都是对的,但没有一种理论能说服所有人,并且到目前为止它们也都没有任何实验证据。无论是“量子毛”还是“软毛”,如果它们真的存在,应该是长在黑洞的外表面。还有一种解释认为黑洞与恒星一样有内部构造。但若是这样,物质就必须能够抵御巨大引力的无情吞噬,而这是违背爱因斯坦的广义相对论的。黑洞也可能是个“绒毛球”,在内部充满一种奇特的新物质,又或者有一道“火墙”,物质集中在其表面。但这些理论也一样,在很大程度上只是猜测。


简言之,量子理论认为黑洞是有毛的,只是无人知道毛是什么。物理学家甚至在为“毛长在哪儿”争论。所有逻辑上可能的解释——外部、内部或表面——都有学术成就卓越的支持者。



目前,很多物理学家对一种形式更为实在的黑洞大气感到兴奋。这种黑洞大气的根源是一种尚未被发现的质量很轻的粒子。当黑洞旋转时,这些粒子被甩出,然后又被引力捕捉回来。这个过程会形成黑洞大气层,从而改变黑洞的性质,并导致可以观测到的效应。这种构成了黑洞大气的粒子,可能就是某些物理理论预言的轴子,它也是宇宙暗物质的有力候选者。


近期引力波探测方面的突破有望让我们更好地研究黑洞的性质。黑洞间的碰撞是强大的引力辐射源。通过探测碰撞发出的引力波,我们能够深入前所未有的细节去研究黑洞。虽说这不能保证我们会发现黑洞是毛茸茸的,但前景十分诱人。


在黑洞身上,仍有很多秘密等待物理学家去揭开。在你眼里,黑洞应该是什么样的?

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