LIGO捕捉到的黑洞合并為探索物理學(xué)新理論提供了良機(jī)。（圖片來源：Nicolle R. Fuller/Science Photo Library）
今年年初觀測到的引力波被稱為對愛因斯坦廣義相對論的有力證明，但諷刺的是，這一發(fā)現(xiàn)或許也是這一理論在黑洞邊緣失效的首個證據(jù)。物理學(xué)家分析了激光干涉引力波天文臺（LIGO）公開發(fā)布的數(shù)據(jù)，并聲稱發(fā)現(xiàn)了似乎與廣義相對論的預(yù)測相矛盾的引力波“回聲”。（Abedi, J., Dykaar, H. & Afshordi, N. Preprint at https://arxiv.org/pdf/1612.00266 (2016)）
隨著更多數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，回聲也可能消失。如果回聲持續(xù)存在，這一發(fā)現(xiàn)的意義將會是非凡的。此前，物理學(xué)家已經(jīng)預(yù)測愛因斯坦的這一極為成功的理論可能會在極端條件下（比如黑洞中心）失效；回聲則表明還存在著更為驚人的可能性，即廣義相對論也會在遠(yuǎn)離中心的黑洞邊緣失效。
如果回聲消失，廣義相對論便經(jīng)受住了對其正確性的一次考驗；此前，人們并不清楚物理學(xué)家是否能驗證廣義相對論的非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測。
“LIGO的探測結(jié)果以及未來更多的潛在研究為探索新的物理學(xué)體系提供了激動人心的機(jī)會，”加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的黑洞研究者Steve Giddings說。LIGO團(tuán)隊表示，他們了解廣義相對論的預(yù)測，并且正在數(shù)據(jù)中尋找回聲。
人們一直認(rèn)為黑洞的邊緣，即所謂的事件視界是無法通過實驗方法研究的。根據(jù)廣義相對論，任何跨過視界的物體都會被黑洞捕獲，且無法逃逸。物體會被吸引到黑洞的中心，黑洞的所有物質(zhì)都集中在此。“人們認(rèn)為黑洞就像是無底洞，”加拿大滑鐵盧大學(xué)的宇宙學(xué)家Niayesh Afshordi說。
在標(biāo)準(zhǔn)模型中，這使事件視界上什么也沒有，跨過視界的倒霉蛋也不會感到周圍的環(huán)境突然發(fā)生了改變。但在2012年，加州的一群物理學(xué)家意識到，如果量子物理學(xué)是正確的，那么視界應(yīng)該被“火墻”所取代——一個由高能粒子組成的環(huán)，會把所有穿過它的物質(zhì)燃燒殆盡——而這一點(diǎn)與廣義相對論相矛盾。另一種理論則認(rèn)為黑洞沒有火墻，但這又意味著量子理論是錯誤的。
其他與廣義相對論矛盾的奇異理論也預(yù)測黑洞視界上存在著某種結(jié)構(gòu)。舉例來說，弦論中的一些理論認(rèn)為黑洞事實上是個“毛球”：相互纏繞在一起的能量線，事件視界表面毛茸茸的，而非界限分明。然而，人們并沒有辦法去觀察視界上究竟有什么——如果那里真的存在任何事物的話，Afshordi說。
這一點(diǎn)在今年二月改變了，當(dāng)時，LIGO團(tuán)隊宣布首次探測到了引力波，也就是時空中的漣漪。引力波是在兩個黑洞合并時產(chǎn)生的。隨后不久，一支由葡萄牙高級技術(shù)學(xué)院的Vítor Cardoso帶領(lǐng)的物理學(xué)家團(tuán)隊就提出，如果廣義相對論存在奇異的偏差（比如火墻），那么在初始的引力波爆發(fā)后，黑洞合并還將會釋放出一系列回聲。
回聲的出現(xiàn)是由于火墻（或者其他類型的結(jié)構(gòu)）會在傳統(tǒng)的事件視界形成一個模糊區(qū)。模糊區(qū)的內(nèi)邊界是傳統(tǒng)的事件視界，沒有任何光子能逃逸的邊界。而外邊界則存在較多孔隙：跨過這一邊界的光子往往會被黑洞捕獲，但一些光子也能逃逸，這取決于光子進(jìn)入的角度。這一效應(yīng)還會捕獲黑洞合并釋放出的部分引力波。這些引力波會在內(nèi)外邊界之間來回反彈，每次反彈中都會有一些引力波逃出黑洞。
Afshordi的團(tuán)隊建立了一個簡單的模型，用鏡面來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的事件視界，并將LIGO目前為止捕獲到的三次黑洞合并的性質(zhì)應(yīng)用在了這一模型中。他們計算出了回聲重復(fù)的精確時間間隔——如果黑洞事件視界上有任何結(jié)構(gòu)的話——結(jié)果分別是約0.1秒，0.2秒和0.3秒。隨后，他們在研究LIGO數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，三次合并釋放出的引力波都伴有回聲，且間隔恰好與模型的預(yù)測相同。
Afshordi表示，這些回聲很可能是統(tǒng)計誤差，如果將隨機(jī)噪聲考慮在內(nèi)，則發(fā)現(xiàn)此類回聲的概率約為二百七十分之一，即2.9sigma。要確認(rèn)這些回聲不是噪聲，研究者還需要在未來的黑洞合并中再次找到這樣的回聲?！爸档眯老驳氖?，靈敏度更高的新LIGO數(shù)據(jù)正在出爐，所以我們應(yīng)該能在未來兩年內(nèi)確認(rèn)或排除這一發(fā)現(xiàn)?！?/span>
LIGO團(tuán)隊成員、德國馬克斯·普朗克引力物理研究所的物理學(xué)家Alessandra Buonanno表示，LIGO團(tuán)隊的科學(xué)家正在分析回聲信號。
Afshordi使用的簡單鏡面模型過于粗糙，無法確定回聲是否是由火墻、毛球還是其他結(jié)構(gòu)造成的。他說，更為復(fù)雜的模型或許能通過預(yù)測回聲的振幅和消亡速度來做出區(qū)分。
Giddings說，雖然Afshordi團(tuán)隊的論文展示了背離廣義相對論的“誘人跡象”，但它們迄今為止還只是跡象而已。他也質(zhì)疑Afshordi的鏡面模型能否解釋偏離廣義相對論的原因，這在一定程度上是因為預(yù)測這些偏離的理論只為替代事件視界的結(jié)構(gòu)提供了模糊的描述，難以對其精確建模?！耙粋€基本的問題是，我們并沒有對‘火墻’或‘毛球’做完善的物理描述?！?/span>
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