「黑洞無毛」定理,決定黑洞是全宇宙最簡單的物質

2020-12-05 壹咖解謎

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。與此相反,一個研究黑洞外部的物理學家就沒有這樣的問題。黑洞是一種極其簡單的物體,如果知道了它的質量、角動量和電荷,也就是知道了有關它的一切。

黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何複雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶,它保持的只是質量、角動量和電荷。這種消繁歸簡或許是黑洞最基本的特徵。約翰·惠勒,這位有關黑洞的大多數術語的發明家,在60年代把這種特徵稱為「黑洞無毛」。

這個開始時只是一種猜測的定理,最近得到了嚴格的數學證明。這是包括默冬(Meudon)天文臺的布蘭登·卡特(Brandon Carter)和澳大利亞的加裡·班亭(GaryBunting)在內的半打理論家經15年努力的結果。他們證明,只需要三個參量來描述一個平衡態黑洞周圍的時空幾何,從而證實了惠勒的表述。對理論家來說,這意味著事情已大為簡化:按照這三個參量的重要程度來劃分,總共只有四種黑洞(質量作為引力場的源當然總是必不可少的)。這就是:只由質量來表徵的球對稱、靜態的史瓦西黑洞;也是球對稱和靜態的,但還有電荷的雷斯勒一諾斯特諾姆黑洞;轉動而顯電中性的克爾黑洞;最後是最一般的平衡態黑洞,轉動而且帶電,在1965年被計算出來並命名為克爾一紐曼(Newman)黑洞。最後這個解表示著視界以內引力坍縮的唯一的自然的最後狀態,其他三個解只是它的某種簡化。如前所述,黑洞電荷的作用可以忽略,因此最「現實」的黑洞是由克爾解給予正確的描述。

再次是引力波來掃除形成黑洞的物質的所有複雜結構。黑洞的「毛髮」都被刮去,只剩下質量、角動量和電荷。這些物理參量表徵著形成的黑洞所呈現的兩種長程作用,即引力(對質量和角動量)和電磁力(對電荷)。決定原子核結構的短程核作用對黑洞的形成沒有貢獻。

黑洞的參量是可以精確測量出來的,儘管是藉助於理想實驗。可以把一顆衛星放在圍繞黑洞的軌道上,並測量衛星的軌道周期,從而得出黑洞的質量。黑洞的角動量可以通過比較朝向視界的不同部分的光線的偏轉來測量。

對於一個有一定質量的一般克爾一紐曼黑洞,電荷和角動量都有上限,也就是都受到保證視界存在這一條件的限制。如果在某個大質量恆星的引力坍縮過程中,這個限制被違反了,黑洞就會成為一個探奇點,並能影響到宇宙中的遠距離處。然而,物理學家有很好的理由相信,這樣一種情況是被自然規律禁止而不會發生的。

既然只由三個參量支配,一個黑洞就像一個基本粒子一樣簡單。但是,只要考慮一下視界存在的條件,就知道沒有別的東西比基本粒子與黑洞更不同的了,儘管基本粒子也是把質量、角動量和電荷集中在一個很小的體積內。以電子為例,實驗已經確定出它的質量、角動量(自旅)和電荷。相對於其質量來說,電子的電荷和角動量超過黑洞上限的If倍。這個令人驚愕的數字甚至超過了可觀測宇宙中基本粒子的總數,而這正是一個電子與一個克爾f 紐曼黑洞之間差異的量度(這決不是說電子是一個探奇點)。

你們又認為這個「黑洞無毛」定理可行嗎?

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