无毛定理(霍金的黑洞无毛理论受到冲击)

从1783年地理学家约翰·米歇尔首次提出黑洞概念开始，人们就开始了漫长的探索这一神秘天体的道路。

2019年4月10日，地平线望远镜合作组织(EHT)发布了有史以来之一张黑洞图像——5500万光年外的M87超大质量黑洞。人类之一次能够看清黑洞的真面目。

黑洞最广为人知的一个特征是，任何东西都无法从中逃脱，包括光。因此，即使是非常小的黑洞，也不会给人们任何关于其起源或演化的线索。

之一张M87黑洞照片来源:皇家学会

据推断，银河系不仅充满了数亿颗恒星，还拥有超过1亿个黑洞。但是，由于这些黑洞无法直接观察到，人们很难从外观上区分它们。

不同于双胞胎之间的差异，虽然双胞胎拥有相同的基因，但我们可以从外貌、发型甚至气质上区分他们。

然而，根据霍金的黑洞无毛理论，黑洞只有三个可识别的特征——质量、角动量和电荷。如果这三个性质中有两个数值相同的黑洞，理论上人们是分不清的。

现在是2021年，一项新的研究表明，近似极值的黑洞有很大概率会有“头发”，即黑洞边界可能携带可探测的信息，这很可能打破著名的“黑洞无毛理论”。

黑洞理论的发展历史

黑洞，在现代广义相对论中，存在于宇宙空中，是一种密度极高、主动小天体。黑洞是有足够质量的恒星在核聚变反应末期，能量耗尽死亡后，引力坍缩产生的。

黑洞的引力如此之强，以至于即使快至30万公里/秒的光速也无法超过其视界(黑洞的边界)内的逃逸速度。

所以任何物质，包括光，在接近黑洞的过程中都会被黑洞吸收而无法逃逸，这也解释了为什么黑洞无法被直接观测到，只能间接证明它的存在。

黑洞并不“黑”，只是我们无法直接观测到来源:pixabay。

黑洞研究的进展要从1915年爱因斯坦的广义相对论说起，他在其中提出了著名的引力场方程。

几个月后，德国数学家史瓦西计算出引力场方程的之一个精确解，即天体变成黑洞的临界半径——史瓦西半径。当一颗恒星坍缩到它的史瓦西半径时，任何力量都无法阻止这颗恒星继续坍缩，然后无可挽回地形成黑洞。

霍金在证实了黑洞的存在后，于1973年提出了“黑洞无毛理论”:无论是哪种黑洞，其最终性质都只由几个物理量决定，即质量、角动量和电荷。

黑洞形成时，只剩下这三个不能变成电磁辐射的守恒量，其他信息(科学家称之为“头发”)全部丢失，没有任何其他复杂的性质。

黑洞极值可能推翻“无毛论”？

如果两个黑洞的质量、角动量和电荷值相同，就说明它们是相同的，没有任何区别。哈佛大学理论物理学家保罗·切斯勒(Paul Chesler)说，“在经典广义相对论中，它们是完全一样的，没有办法区分它们。”

当然，这都是基于“黑洞无毛论”的推论。科学家在论证每一种理论时都极其谨慎，所以他们总是怀疑是否所有的黑洞都严格遵守这一理论。

2012年，当时在剑桥大学工作、现在在多伦多大学工作的数学家Stefanos Aretakis提出，一些黑洞的视界可能存在不稳定性。

这些不稳定性会使黑洞视界的某些区域比其他区域具有更强的引力，这方面的差异会使原本相同的黑洞变得可分辨。

极端黑洞“头发”的模拟图像

但他给出的方程的解只能证明他的结论在极端黑洞中成立，而极端黑洞在自然界是不可能存在的，因为质量、角动量或电荷这三个参数中的一个会达到更大值。

虽然没有严格意义上的黑洞，但是如果我们有一个无限接近极值的黑洞，但是实际上并没有达到极值呢？这样的黑洞至少在理论上是可以存在的。有没有可能违背了无毛理论，在视界上有一个不稳定区域可以被探测到？

黑洞“头发”能解释黑洞信息的悖论吗？

这篇发表于2021年1月底的论文肯定了上述猜想的合理性。此外，论文还称，黑洞的“头发”可以被引力波天文台探测到。

麻省大学和罗德岛大学的物理学家高·拉夫·康纳是这项研究的参与者之一。他说，“Ale takis认为黑洞的视界上存在一些可探测的信息，我们的研究结果为探测这些信息(也称为“黑洞毛发”)提供了可能性。”

值得一提的是，科学家认为，无论是黑洞形成过程中产生的残渣，还是黑洞后期成长过程中的扰动，比如物质落入黑洞，都可能在接近极值的黑洞事件视界处或附近产生不稳定引力。康纳说，他们期望在接近极值的黑洞上看到引力信号，这与普通黑洞有很大不同。

普林斯顿高等研究院天体物理学家利亚·梅德罗斯(Leah Mederos)表示，如果黑洞确实有“头发”，并保留了一些关于其过去的历史信息，可能会与著名物理学家斯蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖论相冲突。

黑洞不仅“吃”，还会呕吐，也就是热辐射。来源:量子杂志的阿什利·麦肯齐

黑洞信息的悖论是什么？首先，量子力学的基本要求是信息守恒。信息不会在空前出现或消失。其次，霍金在他的黑洞研究中曾经提出过黑洞辐射的概念。当黑洞吞噬物质时，会产生外部辐射。然而，热辐射本身几乎不携带信息。

也就是说，在恒星落入黑洞并被黑洞吞噬的过程中，恒星在黑洞中以霍金辐射的形式蒸发，但黑洞和辐射都不携带信息。那么原恒星的所有信息都去哪了呢？信息守恒定律被打破了，这就是悖论所在。

这个悖论浓缩了20世纪物理学的两大支柱——量子力学和广义相对论之间的根本矛盾。信息悖论的存在，说明我们在处理黑洞时，可能在某一步出现了问题，甚至用错了理论基础。

因此，梅德罗斯说，“如果你能证明黑洞信息悖论的一个假设是错误的，你也许就能解决悖论本身，而信息悖论的一个假设就是无毛理论。”

图片:Sakkmesterke/科学来源

当人们探测到黑洞的“毛发”时，后果可能相当广泛。

“如果我们能够证明黑洞外的实际时间空与我们预期的不同，那么我认为这将对广义相对论产生巨大的影响。”梅德罗斯说。10月，Mederos合著的一篇论文讨论了探测到的黑洞的几何形状是否与预测一致。

这篇新发表的论文最令人兴奋的是，它提供了一种将黑洞观测与基础物理相结合的方法。

也许在宇宙中最极端的天体物理实验室里，通过探测黑洞上的“头发”，我们可以前所未有地探索许多理论，比如弦理论和量子引力。

但梅德罗斯表示，弦理论和量子引力的一个主要问题是，很难验证这些预测的准确性。因此，如果有任何方法可以验证这些预测，哪怕是很遥远的距离，这都将是一个巨大的进步。

引力波天文台探测到黑洞毛发

但是检测黑洞毛并不容易。首先，我们无法确定近似极值黑洞是否真的存在。哈佛大学的切斯勒教授承认，用更先进的手段模拟的黑洞和极端黑洞还有30%的差距。

其次，即使近似极值的黑洞存在，现有引力波探测器的灵敏度是否能探测到黑洞毛中的引力不稳定性也不清楚。

最后，更重要的是，这种“头发”非常难抓，因为它的寿命极短，只能存在不到一秒钟。

但是，理论上，这个研究结果是合理的。舍勒说:“我认为科学界不会有人质疑这一点。这不是空穴来风的猜测，但是爱因斯坦的相对论方程太复杂了，我们每年都能从中发现它们的新特点。"

在下一阶段，研究人员将专注于他们应该在引力波探测器上寻找什么样的重力信号。

这些引力波探测器包括目前已经投入使用的LIGO和处女座等引力波天文台，也可能是美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空跨机构(ESA)合作的Tai 空激光干涉空天线中的引力波天文台LISA。

LISA，太空首个引力波天文台空。来源:新科学家

伊利诺伊大学香槟分校的天体物理学家海尔维·维特卡说:

“我们现在应该在前人研究的基础上继续计算这个黑洞‘头发’的引力辐射频率，真正弄清楚我们应该如何测量和识别这个引力辐射。此外，我们将从这一出色而重要的理论研究延伸到对黑洞‘头发’具体特征的探索。”

科学家完全有理由和动力在这个领域继续探索。虽然探测黑洞“头发”理论是否正确的几率非常渺茫，但一旦在黑洞视界上发现信息，不仅会挑战爱因斯坦的广义相对论，还会证明近似极端黑洞的存在。

康纳说，“我们很想知道，是否存在一个自然产生的近似极值的黑洞，会对我们的研究领域产生翻天覆地的影响”。

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