霍金「黑洞無毛定理」將被推翻？新研究表明：黑洞或許有毛

2020-10-23 科學之美

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。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。

（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

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

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  • 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！
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