霍金「黑洞無毛定理」將被推翻？最新研究表明：黑洞或許有毛！

2020-10-18 博科園

霍金「黑洞無毛定理」將被推翻？由於黑洞傾向於「吸收」周圍的一切（比如光都無法逃脫），即使是最小的黑洞也不會洩露關於它們的起源或歷史線索。這一令人沮喪的事實促使科學家們在20世紀60年代宣稱黑洞「沒有毛」，其意思是，黑洞幾乎沒有區分彼此的特徵。現在，新的計算表明：一些黑洞可以生長出毛，但不能保持很長時間。根據這項新的研究，以接近（但不完全）最大旋轉可能速度旋轉的黑洞顯示出一些獨特性質。

但這些性質在黑洞變得「光禿禿（無毛）」之前不會持續很長時間，並且變得無法與同類的其他黑洞區分開來。物理學家，研究作者Lior Burko表示：這是一個有趣的發現，因為它是一種短暫的行為。黑洞毛髮的比喻源於物理學家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和約翰·惠勒(John Wheeler)在20世紀60年代和70年代初所做的數學計算。認為，根據愛因斯坦的廣義相對論，黑洞只可以用三個可觀察到的參數來描述：①質量，②角動量和③電荷。

  • （博科園圖示）來自超級計算機模擬的可視化顯示了正電子在旋轉黑洞視界附近的行為。圖片：Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab

其它的一切，所有其它的信息，都被困在黑洞的引力中，因此不可能被觀察到。假設有兩個黑洞在所有三個值上都匹配，那麼就不可能將它們區分開來。從那以後，理論家們一直在尋找能夠將黑洞彼此區分開來的東西。如果科學家能找到一些東西，它可能會開啟關於特定黑洞起源的新發現。例如，雖然許多黑洞被認為是塌陷恆星的殘留物，但有些黑洞可能是在大爆炸之後形成的，在最早宇宙結構中從異常密集的區域合併出來。

如果其中一個原始黑洞具有相同的質量、角動量和電荷，它們將無法與恆星黑洞區分開來。劍橋大學物理學家德揚·加吉克(Dejan Gajic)領導的一組研究人員發現：極端黑洞（那些具有最大可能電荷的黑洞）確實具有獨特的屬性，可以將黑洞彼此區分開來。這些性質涉及黑洞的事件視界（引力如此強大以至於光無法逃脫的點）和柯西視界（過去和未來之間的因果關係由於強大引力場的時間彎曲效應而崩潰的點）的可測量變化，Burko和同事開始對黑洞是否具有獨特的性質感興趣。

  • （博科園圖示）事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)是通過國際合作打造由八臺地面射電望遠鏡組成的行星級陣列，捕捉到了這張位於M87星系中心超大質量黑洞及其陰影的圖像。圖片：EHT Collaboration

這些黑洞幾乎是極端的，但並不完全。並對兩種黑洞進行了計算，第一個是近乎極端的Reissner-Nordström黑洞，這是一種幾乎具有最大可能電荷但不旋轉的黑洞。第二個是近乎極端的克爾黑洞，是一種幾乎以最大自旋旋轉但沒有電荷的黑洞。在這兩種近乎極端的黑洞中，科學家發現了黑洞「有毛」的證據。其研究發現發表在《物理評論研究》(Physical Review Research)期刊上。當一個模擬的黑洞第一次形成時，接近極端黑洞的獨特性質是可以測量的，但隨著時間的推移，會以時間的二次函數不斷遞減。

這意味著這些值在開始時會迅速收縮，然後隨著時間的推移，會繼續以更慢的速度收縮。(研究小組沒有實時計算這一過程的速度，這取決於給定黑洞的質量、自旋和電荷。)。在很短的時間內（一個幾乎極端的黑洞）行為就像黑洞有毛一樣，像一個最大旋轉的黑洞一樣。但過了一段時間，黑洞開始脫落這些毛，最終又變成「禿頭」無毛黑洞。雖然所有這些計算目前都是理論上的，但現實世界的觀察結果可能與這些發現相匹配或相互矛盾，但這是有希望的。

雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)實驗目前正在積極測量引力波，這是由中子星和黑洞等大質量天體在時空中產生的漣漪。LIGO使用兩個地面觀測站來測量引力波，這些測量或許可以讓我們看到有毛的黑洞。一個即將到來的項目，即雷射幹涉儀空間天線(LISA)，將發射三個太空飛行器來探測來自遙遠宇宙空間的引力波。該項目旨在探測來自超大質量黑洞的引力波，目前不知道這些實驗要運行多長時間才能捕捉到一個近乎極端的黑洞，但如果發現一個，那將會是驚喜的！

博科園｜文：Stephanie Pappas/Live Science

參考期刊《物理評論研究》

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.1.033106

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 霍金「黑洞無毛定理」將被推翻?最新研究表明:黑洞或許有毛!
    本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽霍金「黑洞無毛定理」將被推翻？由於黑洞傾向於「吸收」周圍的一切（比如光都無法逃脫），即使是最小的黑洞也不會洩露關於它們的起源或歷史線索。這一令人沮喪的事實促使科學家們在20世紀60年代宣稱黑洞「沒有毛」，其意思是，黑洞幾乎沒有區分彼此的特徵。現在，新的計算表明：一些黑洞可以生長出毛，但不能保持很長時間。根據這項新的研究，以接近（但不完全）最大旋轉可能速度旋轉的黑洞顯示出一些獨特性質。但這些性質在黑洞變得「光禿禿（無毛）」之前不會持續很長時間，並且變得無法與同類的其他黑洞區分開來。
  • 霍金「黑洞無毛定理」將被推翻？新研究表明：黑洞或許有毛
    霍金「黑洞無毛定理」將被推翻？由於黑洞傾向於「吸收」周圍的一切（比如光都無法逃脫），即使是最小的黑洞也不會洩露關於它們的起源或歷史線索。這一令人沮喪的事實促使科學家們在20世紀60年代宣稱黑洞「沒有毛」，其意思是，黑洞幾乎沒有區分彼此的特徵。
  • 由霍金的「黑洞無毛定理」,來定義宇宙當中的四種黑洞
    黑洞無毛定理要說宇宙當中最神秘的天體，那麼一定就是黑洞了。由於黑洞自身性質的特殊性，目前人類尚且無法直接觀測到黑洞，只能根據黑洞附近星體的變化，來推斷黑洞存在的位置，以及它自身的一些性質。那麼描述黑洞的物理性質有多少呢？
  • 霍金修正黑洞理論:黑洞或許並不存在
    但著名理論物理學家、「黑洞理論大師」、英國劍橋大學應用數學與理論物理學系終身教授史蒂芬·霍金日前卻修正了自己的黑洞理論。 　　美國宇航局錢德拉X射線天文臺觀測到在銀河系的中心有一個巨大的黑洞，取名人馬座A。在過去的幾年裡，通過間歇性觀測，錢德拉曾經發現來自人馬座A的X射線光斑。一項新的研究表明，錢德拉X射線捕獲到的光斑可能是掉入銀河系巨大黑洞的小行星。
  • 黑洞無毛卻有熵究竟是什麼意思?一文帶你了解一下
    質量M產生黑洞的視界；角動量L是旋轉黑洞的特徵，在其周圍空間產生渦旋；電荷Q在黑洞周圍發射出電力線，這三個物理守恆量唯一地確定了黑洞的性質。因此，也有人將此定理戲稱為「黑洞三毛定理」。（毛髮是形象地比喻黑洞就是光溜溜一個天體，沒有任何複雜性質）1973年霍金、卡特爾等人嚴格證明了「黑洞無毛定理」：「無論什麼樣的黑洞，其最終性質僅由幾個物理量（質量、角動量、電荷）唯一確定」。霍金在1971~1972年研究了黑洞事件視界截面面積的演化，並發現這個面積是不減的。這就是所謂的黑洞面積定理。
  • 「黑洞無毛」定理,決定黑洞是全宇宙最簡單的物質
    宇宙中的黑洞也有恆星那樣多的種類嗎？換句話說，除了質量、角動量和電荷之外，黑洞還能有別的參量嗎？對一個物理學家來說，一顆恆星或一塊方糖都是極為複雜的物體，因為對它們的完整描述，既包括它們的原子和原子核結構在內的描述，需要有億萬個參量。
  • 黑洞無毛定理——黑洞的分類
    黑洞無毛定理又稱三毛定理。說的是所有進入黑洞的物質都會丟失所有信息，只剩下質量、電荷和角動量三個物理量，其餘所有信息都不復存在。再說過極端的：你不會知道進去的是有一個人還是一堆光子。因為這一切東西進入黑洞後，剩下的只有質量、電荷、角動量三個量，其餘諸如元素構成、物質溫度、甚至是物質還是輻射這樣的信息都不會保留。質量：一堆金子和一堆相同質量的垃圾掉進去的後結果是一樣的。甚至一堆金子和一堆通過質能方程換算質量相同的光子掉進去的結果都是一樣一樣的。
  • 霍金與黑洞|悼念霍金
    他自己說過，我對相對論有兩個重要貢獻，第一就是把數學家彭羅斯拉過來搞相對論，第二是培養了霍金這麼一個學生，很得意。當時彭羅斯還不在牛津，是在倫敦的一個大學裡工作。彭羅斯有時候來劍橋和西阿瑪討論問題，經西阿瑪介紹，霍金認識了彭羅斯。 彭羅斯在研究什麼呢？他在研究奇點定理，又叫奇性定理。奇點定理是怎麼回事呢？廣義相對論當中，黑洞裡邊有一個奇點，曲率和密度都是無窮大。
  • 35億光年外雙黑洞發出相當於萬億顆恆星的光芒 佐證了黑洞無毛定理
    但由於OJ287雙黑洞系統中小黑洞運行軌道是橢圓形的，因此與圓盤撞擊的時間間隔並不規律，這使得科學家們很難確定下一次爆發亮光的確切時間。 2010年，研究人員開始建立模型預測OJ287何時會再次爆發亮光。
  • 《星際穿越》和《三體》涉及黑洞,黑洞奇點問題,看霍金怎麼說?
    《三體》裡面有說過奇點，是在三體世界的科學家在對十一維的質子進行二維展開，經歷一系列的失敗後終於成功了。但是如果將十一維的質子展開成零維就是奇點。《星際穿越》中男主進入黑洞，並活著或者把黑洞數據給人類，得到準確引力。看看霍金先生對此類問題怎麼說吧！
  • 霍金推翻自己理論:黑洞不存在 提「灰洞」理論
    霍金推翻自己理論：黑洞不存在 提「灰洞」理論 不過，這話既然出自黑洞理論創始人之一史蒂芬·霍金之口，就得認真聽了。　　據《自然》24日報導，霍金在22日發表論文承認，黑洞其實是不存在的，不過「灰洞」的確存在。　　黑洞不能困住所有物質　　在這篇名為《黑洞的信息保存與氣象預報》的論文中，霍金指出，由於找不到黑洞的邊界，因此黑洞是不存在的。
  • 盧昌海：彭羅斯對黑洞研究到底有何貢獻？霍金若在世能否得獎？
    霍金的巨大聲望固然有很大比例來自他的身體條件，但他在黑洞研究上的實質貢獻也並不亞於——甚至可以說是高於——彭羅斯。霍金的不獲獎原本是說得通的，因為他的研究是純理論的，雖然黑洞本身的觀測證據已經很強，直接驗證他的理論卻依然近乎不可能，從而不獲獎也說得通。
  • 盧昌海:彭羅斯對黑洞研究到底有何貢獻?霍金若在世能否得獎?
    不過，彭羅斯的研究跟以往獲獎的純理論研究有些不同，它本身並不預言任何東西，而只是替廣義相對論作出了一個「堅實預言」——那預言無論被推翻還是證實，影響的都是廣義相對論而不是彭羅斯的研究，後者的正確性只取決於它的數學推理的正確性。從這個意義上講，彭羅斯的獲獎成果更接近數學定理——只不過是以廣義相對論為框架的數學定理。
  • 這次霍金真的錯了,觀察發現黑洞沒有頭髮
    之前，「頭髮」已經成為物理學家們的一個流行術語，他是指除了傳統的三特徵模型外，用來描述黑洞的額外特徵。科學界很多人認為黑洞有頭髮，其中霍金是最著名的一個，他認為黑洞可以解釋「黑洞信息悖論」，根據量子力學，信息和能量是守恆的，信息不會消失，進入黑洞的事件中包含的信息在哪裡？
  • 盤點霍金最重要五大貢獻:黑洞如何消失等
    1、1970年：奇性定理　　霍金70年代研究愛因斯坦的引力理論，他發現在很一般的條件下，空間和時間一定存在奇點，時空似乎被無限彎曲。倫敦伯克貝克學院的羅傑•彭羅斯（Roger Penrose）證實，奇點確實會在黑洞中形成。後來，彭羅斯和霍金將同樣的想法應用到整個宇宙中，並表明愛因斯坦的理論預測我們在遙遠過去的奇點，這就是宇宙大爆炸。霍金與彭羅斯一起證明了著名的奇性定理，為此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎。
  • 超大質量黑洞繞著更大質量的黑洞旋轉,每12年撞擊一次其吸積盤
    雖然斯皮策太空望遠鏡已經退役，但它在16年半的任務中所目睹的事情將成為未來許多年的研究課題。例如，斯皮策望遠鏡是唯一一臺能夠觀測到遙遠星系OJ 287中心發生的令人震驚的事情的望遠鏡：一個超大質量黑洞（SMBH）被另一個經常穿過其吸積盤的黑洞圍繞。
  • 黑洞「自相殘殺」！科學家觀測到罕見一幕
    利用斯皮策的觀測，一個國際天文學家小組終於能夠建立一個模型，精確預測這些閃光的時間和較小黑洞的軌道。除了證明廣義相對論的實際作用，他們的發現也驗證了史蒂芬霍金的「無毛定理」！通過斯皮策望遠鏡，科學家預計OJ 287的性質也會產生重力波，地球上的天文學家將能夠利用雷射幹涉儀重力波天文臺（LIGO）等設施探測到重力波。事實上，這個系統產生的波被認為是如此巨大和充滿能量，以至於它們將可測量地改變較小黑洞的軌道（因此，耀斑的時間）。之前的研究已經對OJ 287進行了解釋，但2018年的模型是迄今為止最詳細的。
  • 剛又測出一個黑洞的自旋，很簡單：無毛定理就可以完全描述黑洞
    在目前對黑洞的研究探索中，黑洞「無毛定理」或者說「黑洞三毛定理」，也就是說，黑洞是如此的簡單，只需用黑洞的質量、自旋和電荷這三個參數就可以完全描述黑洞。儘管黑洞可能是由物質和能量的複雜混合物形成，但當黑洞形成時，所有其他細節都會丟失。黑洞強大引力場創造了一個環繞的表面，一個「事件視界」，任何穿事件視界的東西（即使是光）都無法逃脫。
  • 很簡單，無毛定理就可以完全描述黑洞，剛又測出一個黑洞的自旋！
    在目前對黑洞的研究探索中，黑洞「無毛定理」或者說「黑洞三毛定理」，也就是說，黑洞是如此的簡單，只需用黑洞的質量、自旋和電荷這三個參數就可以完全描述黑洞。儘管黑洞可能是由物質和能量的複雜混合物形成，但當黑洞形成時，所有其他細節都會丟失。黑洞強大引力場創造了一個環繞的表面，一個「事件視界」，任何穿事件視界的東西（即使是光）都無法逃脫。
  • 掉入黑洞會怎樣?-虎嗅網
    科學家一直都在探索黑洞與白洞之間的潛在聯繫。2014年，物理學家卡洛·羅維利和哈爾·M·哈加德在一項發表於《物理學評論D》上的研究中闡述道：「有一個經典度量可滿足有限時空區域之外的愛因斯坦方程，在那裡物質坍縮成黑洞，然後又從白洞中出現。」 換句話說，黑洞吞下的所有物質都可能被拋出，而黑洞死亡後有可能變成白洞。