物理學家對黑洞研究有了新的發現

2020-12-26 科技領航人

廣義相對論是一個極為複雜的數學理論,但是黑洞的描述卻非常簡單。一個穩定的黑洞可以用三個特性來描述:它的質量、它的電荷以及它的旋轉或自旋。

由於黑洞不太可能帶很多電荷,因此它實際上僅具有兩個屬性。如果您知道黑洞的質量和自旋,那麼您將了解有關黑洞的所有知識。

該性質通常由無毛定理(無毛定理的陳述是黑洞僅具有三個可觀察的特性,即其質量、角動量和電荷。「無毛」是指黑洞與光頭的相似之處,幾乎沒有任何特徵。「黑洞」的命名者惠勒(J.A.Wheeler)戲稱這特性為「黑洞無毛定理」。)來概括。具體來說,該定理斷言,一旦物質落入黑洞,剩下的唯一特徵就是質量。

你可以用太陽的氫氣、椅子或奶奶閣樓上那些舊版《國家地理》製作一個黑洞,這沒什麼區別。就廣義相對論而言,質量是質量。在每種情況下,黑洞的事件視界都是非常平滑的,沒有任何額外的特徵。

正如雅各布·貝肯斯坦所說,黑洞是無毛的。

但是廣義相對論儘管具有所有的預測能力,但在量子理論上還是有問題。對於黑洞,尤其如此。如果無毛定理是正確的,那麼當對象中的信息越過事件視界時,該信息就會被破壞。

量子理論說,信息永遠不會被破壞。因此有效的引力理論與量子的有效理論相矛盾。這導致了諸如防火牆悖論之類的問題,無法確定事件範圍是炎熱還是寒冷。

為了解決這一矛盾,人們提出了幾種理論,通常涉及相對論的擴展。但是,只有在極端情況下才能看到標準相對論與這些修改過的理論之間的差異,這使得它們很難進行觀察性研究。但是《物理評論快報》上的一篇新論文顯示了如何通過旋轉黑洞來研究它們。

許多修改過的相對論都有一個標準理論中沒有的額外參數。它被稱為無質量標量場,它允許愛因斯坦的模型以不矛盾的方式與量子理論聯繫起來。

在這項新工作中,研究小組研究了這種標量場如何與黑洞的旋轉相聯繫起來。他們發現,在低自旋時,修改後的黑洞與標準模型沒有區別,但是在高旋轉時,標量場使黑洞具有額外的功能。

換句話說,在這些替代模型中,快速旋轉的黑洞可能會是有毛的。

旋轉黑洞的有毛方面只會在事件視界本身附近看到,但它們也會影響合併黑洞。正如作者所指出的那樣,未來的重力波觀測站應該能夠使用快速旋轉的黑洞來確定相對論的替代方案是否有效。

迄今為止,愛因斯坦的廣義相對論已經克服了所有觀察上的挑戰,但它可能會在宇宙的最極端環境中崩潰。

諸如此類的研究表明,我們也許能夠發現接下來的理論。

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