霍金又對了?黑洞回聲證實霍金論文,愛因斯坦相對論再次被違反

2020-12-15 Space科學

最近的一項研究,讓著名的愛因斯坦廣義相對論中的模型被再次違反,而這卻又給另一位物理學家霍金曾經寫的論文打上了正確的標籤。

時空漣漪與引力波的關係

在太空中存在著引力波,當然這只是人類對時空漣漪的一個簡稱,對於其他高等智慧生物來說,人類也不知道它們將時空漣漪稱作什麼,畢竟人類也沒見過它們。引力波是兩個黑洞或者兩個中子星合併或者相撞產生的時空漣漪,超大質量的天體合併或者相撞也會產生類似的時空漣漪,這種時空漣漪被人類成為引力波,有一些也被稱為重力波。

當兩顆中子星或者兩個黑洞在太空相撞時,會使它們所在的宇宙區域產生強大的時空震動,這種震動類似一顆石頭掉進水潭裡而引起的水波漣漪,由於三維宇宙的兩個高維線是時間與空間,所以這樣的漣漪放在太空中又被稱作時空漣漪,這種漣漪會一直向著周圍的宇宙區域不斷擴散,直到人類探測到這個時空漣漪。

幸運的是,人類科學家於2017年在地球上探測到了外太空傳播到地球的引力波(時空漣漪),而目前人類通過對引力波記錄的篩選,一些天體物理學家認為人類已經找到了黑洞存在的證據,而正是這個特殊的證據與這個特殊的黑洞,卻可能會違反愛因斯坦廣義相對論中的模型。

在廣義相對論中,黑洞被認為是一個簡單的物體,它是一個被無限壓縮的奇點,或物質的點,被光滑的視界所包圍,沒有光、能量或物質可以通過視界逃逸的時空區域,而到目前為止,人類所探測到的數據和從黑洞收集到的所有數據都支持這個說法(模型)。

霍金輻射在量子力學中的效應中逃脫,黑洞邊界的性質從光滑的事件視界被模糊的「膜」所替代,而這一點正巧被霍金的論文寫中,廣義相對論產生偏差

還記得在上世紀70年代(20世紀70年代),著名的物理學家史蒂芬霍金寫了一系列的論文,這些論文與上述所說的黑洞概念並不相同,它表明黑洞的邊界並不是像人類想像中的那麼平滑。而在之後的時間裡,由於與量子力學有關的一系列效應使得「霍金輻射」得以逃逸,於是人類對於黑洞邊界的形容開始變得模糊不清,導致在那之後的幾年裡,出現了許多其他的黑洞模型,那些平滑、完美的事件視界將會被更薄、更模糊的「膜」所取代。

最近,物理學家們預測,這種模糊會在新形成的黑洞周圍表現得特別強烈,這模糊的「膜」足夠大,足以反射引力波,使其能夠在黑洞形成的信號中產生回聲。現在,在中子星碰撞之後,有兩位物理學家認為他們已經發現了那種回聲。他們認為,中子星合併時形成的黑洞產生的信號就像一個迴響的鐘聲,這個鐘聲讓原本簡單的黑洞物理成為了撞在尖石頭上的雞蛋。加拿大某大學物理學教授表示,如果這個回聲是真實的,那麼它一定來自量子黑洞的模糊。

看懂愛因斯坦相對論的專家們都不難發現,在愛因斯坦的相對論中,物質可以在很遠的距離內繞著黑洞旋轉,但應該會落入黑洞接近視界的地方,所以,在黑洞附近,不應該有任何鬆散的物質來反射引力波。即使是被物質圓盤環繞的黑洞,在它們的視界周圍也應該有一個真空地帶。

物理學家阿夫肖迪表示:「我們預期並觀察回聲的時間延遲……只有當某些量子結構恰好位於它們的視界之外時,才能得到解釋」,而這卻又與不可動搖的廣義相對論的預測不同。

黑洞回聲或許會成為未來人類探索外太空的一種全新的方式,也代表了人類正處於宇宙探索的新階段

也就是說,現有引力波探測器的數據是有噪聲的,難以正確解釋,而且容易出現誤報。如果利用引力波在黑洞周圍發出的一些量子模糊的回聲,人類將會挖掘出一種全新的探測方式。但是阿夫肖迪卻表示,在合併後不久,這種模糊應該足夠強烈,足以反射引力波,以至於現有的探測器可以看到它。

其實發現黑洞回聲這個結果是令人信服的,因為回聲不止一個在引力波探測器中出現。這比科學家們梳理數據尋找某種特定的信號,並且找到它的時候來得更加令人信服,當然,科學家們需要看到更多關於此類的數據與信息,才能完全相信回聲是真實的。

由於重要性計算對科學家挑選數據的方式非常敏感,在得出任何確定的結論之前,物理學家們需要更全面地了解所有這些特徵。即使這個回聲是真實的,科學家們仍然不能確切地知道是什麼奇異的天體物理產生了這種現象。

這個案例的有趣之處在於,人類根本不知道最初的合併後留下了什麼!一個黑洞是立即形成的,還是存在某種奇異的、短暫的中間物體?如果殘骸是一個超質量的中子星,那麼它在一秒鐘左右就會坍縮,這裡的結果是最容易理解的,但這裡的回聲仍然讓一些物理學家難以接受。

在科學家們探測到的這些數據可能有相似之處,而正是這一點具有重大的意義。不管所有的數據是如何變化的,很明顯,這裡的結果指向了一些值得進一步探索的東西。從天體物理學的角度來說,人類正處於未知的領域,這真的很令人興奮。

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