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撰文 | Sabine Hossenfelder

翻譯 | 劉博堯

審校 | 吳非

每一位理論物理學(xué)家都有著這樣一個(gè)夢(mèng)想：有一天，那個(gè)能夠與所有數(shù)據(jù)相吻合的公式將會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)然，這個(gè)夢(mèng)很難實(shí)現(xiàn)。即使最終夢(mèng)想成真，有的人可能也等不到那一天。

例如，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在1955去世。直到60年后，他的方程中最令人震驚的結(jié)果才得到證實(shí)：時(shí)空存在著周期性的漣漪，可以將能量傳輸?shù)綌?shù)十億光年之外，而這種漣漪就是2015年被探測(cè)到的引力波。

LIGO的兩處探測(cè)地址之一，位于華盛頓州漢福德

自2015年9月的黑洞并合事件起，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）團(tuán)隊(duì)已經(jīng)報(bào)告了5起引力波觀測(cè)事件（第6起已經(jīng)出現(xiàn)，但數(shù)據(jù)的顯著性剛好夠不上標(biāo)準(zhǔn)）。雖然引力波信號(hào)屢次出現(xiàn)，但LIGO的數(shù)據(jù)仍然沒(méi)有得到充分研究。對(duì)于這種理解宇宙的全新方式，物理學(xué)家們必須在發(fā)展觀測(cè)技術(shù)的同時(shí)，提升數(shù)據(jù)分析手段。

這項(xiàng)任務(wù)可并不容易。觀測(cè)引力波不是那種通過(guò)偶然事件就能取得的發(fā)現(xiàn)。但是既然有了數(shù)據(jù)，物理學(xué)家們就可以從中進(jìn)一步理解黑洞、中子星，包括得知它們的位置、物質(zhì)組成和質(zhì)量。他們已經(jīng)測(cè)量了宇宙的膨脹系數(shù)，并對(duì)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論做了新的精確測(cè)試。而迄今為止，這個(gè)理論通過(guò)了所有的測(cè)試。

這些測(cè)試對(duì)愛(ài)因斯坦的理論的正確性的證實(shí)令人嘆為觀止，但或許也正是這些測(cè)試可以揭示這個(gè)理論錯(cuò)誤的地方。

物理學(xué)家們知道，廣義相對(duì)論在靠近黑洞中心的地方會(huì)失效。然而，黑洞的中心——奇點(diǎn)以視線無(wú)法企及而聞名。它由黑洞的事件視界保護(hù)著，事件視界環(huán)繞在黑洞周圍，是一個(gè)連光線都無(wú)法逃脫的表面。在廣義相對(duì)論中，黑洞的事件視界是沒(méi)有物質(zhì)的；它不構(gòu)成任何障礙。黑洞只是將一切膽敢越過(guò)視界的東西吞噬。

大多數(shù)物理學(xué)家相信，廣義相對(duì)論正確描述了黑洞的事件視界。但是一些物理學(xué)家聲稱，廣義相對(duì)論和量子物理的矛盾意味著，在事件視界可能有其他的事情發(fā)生。尤其是，有人稱黑洞周圍被一道“火墻”環(huán)繞。這種想法盡管引起了很多爭(zhēng)議，卻確實(shí)推動(dòng)了我們認(rèn)識(shí)事件視界的另一種描述方式。

黑洞火墻模擬圖

如果有像火墻一樣的東西擋在事件視界處，那么視界就有可能反射引力波。如果事實(shí)如此，我們就能通過(guò)LIGO找到這些修正的證據(jù)。尤其是，兩個(gè)黑洞之間的并合過(guò)程理應(yīng)產(chǎn)生回聲。

這一觀點(diǎn)由兩個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立提出，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別由葡萄牙里斯本高等理工學(xué)院的Vítor Cardoso和布法羅大學(xué)的Niayesh Afshordi領(lǐng)導(dǎo)。通過(guò)一個(gè)含有物質(zhì)的視界的簡(jiǎn)單模型，研究者發(fā)現(xiàn)，在黑洞并合所產(chǎn)生的引力波中，有一部分會(huì)彈向黑洞的中心。隨后，這部分引力波會(huì)向外反彈，其中一部分又會(huì)在事件視界再次被彈向黑洞中心——黑洞就像一個(gè)兩邊安裝著半透明鏡子的諧振腔一樣，釋放周期性的振幅衰減的信號(hào)。也就是說(shuō)，它會(huì)發(fā)出回聲。

那么，實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與上文的理論相符嗎？在2016年年末，Afshordi和合作者將專門(mén)設(shè)計(jì)的分析方法應(yīng)用在了公開(kāi)的LIGO數(shù)據(jù)上，來(lái)尋找回聲的證據(jù)。令人驚奇的是，回聲剛好在他們尋找的地方出現(xiàn)了。這個(gè)信號(hào)并不明顯，研究者們估計(jì)它有百分之一的可能性只是噪聲，但無(wú)論如何，這是一個(gè)振奮人心的信號(hào)。

這個(gè)設(shè)想意義重大，同時(shí)需要足夠的勇氣。如果正確，就會(huì)成為愛(ài)因斯坦理論存在錯(cuò)誤的確鑿證據(jù)。

在Afshordi的研究組發(fā)表他們的論文之后幾周，LIGO的成員給出了回復(fù)，對(duì)Afshordi的分析表示了關(guān)切。接下來(lái)LIGO團(tuán)隊(duì)開(kāi)始做他們自己的研究。但是大的合作項(xiàng)目進(jìn)度會(huì)很慢，所以一年多之后LIGO團(tuán)隊(duì)才完成分析并得到合作者的準(zhǔn)許，以發(fā)表他們的工作。

LIGO團(tuán)隊(duì)的分析結(jié)果現(xiàn)已公開(kāi)。研究者們找到了回聲，但是顯著性比之前估計(jì)的低。他們認(rèn)為，回聲只是噪音的可能性是五十分之一。此外，這項(xiàng)研究在一個(gè)特別的事件中發(fā)現(xiàn)了回聲存在的最有力的證據(jù)，但這個(gè)事件本身的顯著性最低。當(dāng)他們把這個(gè)事件從樣品中去除后，回聲不存在的概率上升到了近乎20%。

為了使數(shù)據(jù)分析能夠完成，物理學(xué)家們必須對(duì)他們尋找的信號(hào)做出一些假設(shè)。受Afshordi的模型的啟發(fā)，研究人員假設(shè)回聲存在規(guī)律性的間隔、它們會(huì)指數(shù)衰減，并且它們?nèi)匀皇菦](méi)有經(jīng)過(guò)修正的（盡管振幅會(huì)衰減）。在很多方面，他們都在找有可能存在的最簡(jiǎn)單回聲。

理論物理學(xué)家現(xiàn)在可以回顧這些數(shù)據(jù)分析，并發(fā)展出一些和數(shù)據(jù)更加吻合的假設(shè)。但是一次次地重復(fù)分析同樣的數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)很大：他們并沒(méi)有發(fā)展出一種更好的理論，只是在增大噪聲而已。

找到的回聲種類越多，他們就越有可能找到什么東西。但是不斷重復(fù)的嘗試將有可能使數(shù)據(jù)顯著性變得不可靠。而唯一的解決方法，就是新的數(shù)據(jù)。在這個(gè)問(wèn)題解決之前，理論和實(shí)驗(yàn)將會(huì)發(fā)生多輪類似的交流。

迄今為止，理論工作者和實(shí)驗(yàn)工作者都發(fā)現(xiàn)這樣的交流很有成效。Afshordi說(shuō)：“我們將全力以赴地為回聲建立理論模型，并發(fā)現(xiàn)更好的辦法來(lái)找到回聲?！彼仓赋觯?/span>另一個(gè)研究組也在LIGO的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了回聲的信號(hào)，他說(shuō)結(jié)果是假的的可能只有百分之一。

同時(shí)，LIGO的研究人員Ofek Birnholtz說(shuō)：“目前的理論與數(shù)據(jù)之間肯定存在矛盾，”但是黑洞存在回聲的想法“毫無(wú)疑問(wèn)是值得深入研究的?！睂?duì)黑洞回聲的尋找，已經(jīng)成為了LIGO的一項(xiàng)正式目標(biāo)。

在理論物理中，我們都有著同樣的夢(mèng)想。