從1783年，地理學家約翰·米歇爾首次提出黑洞的概念起，人們便開啟了對這個神秘天體的漫漫探索之路。
2019年4月10日，視界望遠鏡（EHT）合作組織發布了有史以來第一張黑洞圖像——5500萬光年外的M87超大質量黑洞，人類第一次得以看到黑洞的真正面目。
黑洞最為人所知的特性之一就是任何事物都無法從黑洞中逃脫，包括光。因此，即使是極小規模的黑洞也不會向人們傳遞出任何關於它的起源或演變過程的線索。
第一張M87黑洞照片 圖源：Royal Institution
據推斷，銀河系中不僅充滿了數以億計的恆星，還擁有多達1億多個黑洞。但由於無法直接觀測到這些黑洞，人們難以從外觀上區分它們。
不同於雙胞胎之間的差別，雖然雙胞胎擁有相同的基因，但我們卻能從外貌、髮型、甚至氣質上將它們區分開來。
但根據霍金提出的“黑洞無毛理論”，黑洞只擁有三個可識別特徵——質量、角動量和電荷。如果存在兩個黑洞在這三個性質上具有相同的值，理論上人們是無法區分這兩個黑洞的。
時間來到2021年，一項最新的研究表明，近似極值的黑洞很有可能存在“毛髮”，即黑洞邊界可能攜帶可以探測到的信息，這很可能會打破著名的“黑洞無毛理論”。
黑洞理論的發展歷史
黑洞（Black Hole），是現代廣義相對論中，存在於宇宙空間中的一種密度極大體積極小的天體。黑洞是由質量足夠大的恆星在核聚變反應尾期，能量耗盡消亡後，發生引力坍縮而產生的。
黑洞的引力非常強大，即使快如30萬千米/秒的光速也不能超過其視界（黑洞的邊界）內的逃逸速度。
因此，包括光在內的任何物質在靠近黑洞的過程中都會被其吸收無法逃脫，這也解釋了為什麼黑洞無法直接被觀測到，只能通過間接方式證明它的存在。
黑洞並不“黑”，只是我們無法直接觀測到 圖源：pixabay
黑洞研究的進展要從愛因斯坦在1915年提出廣義相對論說起，他在廣義相對論中提出了著名的引力場方程。
幾個月後，德國數學家史瓦西計算得到了引力場方程的第一個精確解，即我們現在知道的天體變為黑洞的臨界半徑——史瓦西半徑。當星體坍陷至其史瓦西半徑，沒有任何作用力能阻擋星體繼續坍陷，繼而無法挽回的形成黑洞。
在證實了黑洞的存在後，1973年霍金提出了“黑洞無毛理論”：無論什麼樣的黑洞，其最終性質僅由幾個物理量，即質量、角動量、電荷，唯一決定。
當黑洞形成後，只剩下這三個不能變為電磁輻射的守恆量，其他一切信息（科學家稱之為“毛髮”）都喪失了，不存在其他任何複雜的性質。
極值黑洞可能推翻“無毛理論”？
如果兩個黑洞擁有相同的質量、角動量和電荷值，就意味着它們是一模一樣、沒有絲毫差別的。哈佛大學的理論物理學家保羅·切斯勒表示，“在經典的廣義相對論中，它們就是完全相同的，沒有任何方法能區分出它們。”
當然這都是基於“黑洞無毛理論”的推斷，科學家們在論證每個理論時都格外謹慎，因此他們也始終懷疑是否所有的黑洞都嚴格遵守這個理論。
2012年，當時在劍橋大學工作現在就職於多倫多大學的數學家斯特凡諾斯·阿雷塔基斯（Stefanos Aretakis）提出，某些黑洞在其視界上可能存在不穩定性。
這些不穩定性將會使黑洞視界上的某些區域擁有比其他區域更強的引力，這方面的差別便能讓原本完全相同的黑洞具備可區分性。
極值黑洞“毛髮”仿真圖象
但是，他給出的方程解只能證明他的結論在極值黑洞中是成立的，而極值黑洞在自然界中是不可能存在的，因為極值黑洞在質量、角動量或電荷這三個參數中會有某一個值達到最大。
儘管嚴格的黑洞是不存在的，但如果我們有一個無限逼近極值，卻沒有實際到達極限值的黑洞呢？這樣的黑洞至少在理論上是可以存在的，它有沒有可能違背“無毛理論”，在視界上具有能夠被探測到的不穩定區域？
黑洞“毛髮”能否解釋黑洞信息悖論
2021年1月底發表的這篇論文肯定了上述猜想的合理性，此外，論文還表示，黑洞的“毛髮”可以用引力波天文台探測到。
馬薩諸塞大學和羅德島大學的物理學家高拉夫·康納是這個研究的參與者之一，他說：“阿雷塔基斯認為在黑洞視界上存在一些可以被探測到的信息，而我們的研究成果為探測這些信息（也可以稱之為“黑洞的毛髮”）提供了可能性。”
值得一提的是，科學家們認為，無論是黑洞形成時產生的殘留物，還是黑洞後期成長中出現的擾動，比如落入黑洞的物質，都有可能在接近極值黑洞的視界或視界附近產生不穩定引力。康納表示，他們期待在接近極值的黑洞上看到和普通黑洞迥然不同的引力信號。
普林斯頓高等研究院的天體物理學家莉雅·梅德羅斯表示，如果黑洞確實有“毛髮”，並以此保留了一部分關於它們過去的歷史信息，這可能會與著名物理學家斯蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖論產生衝突。
黑洞不只“吃東西”，也會吐東西即熱輻射 圖源：Ashley Mackenzie for Quanta Magazine
何為黑洞信息悖論？首先，量子力學的基本要求即信息守恆，信息不會憑空出現，也不會憑空消失。其次，霍金在他的黑洞研究中曾提出過黑洞輻射的概念，黑洞在吞噬物質時會對外產生輻射，然而熱輻射本身幾乎不攜帶信息。
這也就是說在一個星體掉入黑洞並被其吞噬的過程中，星體在黑洞中以霍金輻射的形式蒸發掉了，但黑洞和輻射均不攜帶信息，那麼原來星體的所有信息都去了哪裡呢？信息守恆定律被打破，這就是悖論之所在。
這個悖論濃縮了20世紀物理學兩大支柱——量子力學和廣義相對論之間的根本矛盾。黑洞信息悖論的存在說明我們很可能在處理黑洞時在某一個步驟上出了問題，甚至運用了錯誤的理論基礎。
因此，梅德羅斯說：“如果能證實黑洞信息悖論的假設之一是錯誤的，你也許就能解決悖論本身，而信息悖論的其中一個假設就是無毛理論。”
圖源：Sakkmesterke/Science Source
當人們探測到黑洞的“毛髮”，由此產生的後果可能相當廣泛。
“如果我們能證明黑洞外實際的時間空間與我們預期的不同，那麼我認為這將會對廣義相對論產生巨大的衝擊。”梅德羅斯說道。十月份，梅德羅斯合著的一篇論文討論了其探測到的黑洞幾何形狀是否與預測一致。
這篇最新發表的論文最令人興奮的地方在於，它提供了一種融合黑洞觀測和基礎物理學的方法。
或許在全宇宙最極限的天體物理實驗室里，通過探測黑洞上的“毛髮”，可以讓我們以前所未有的方式探索諸多學說，例如弦論和量子引力等。
但梅德羅斯表示，弦論和量子引力的主要問題之一在於很難驗證這些預測的正確程度。因此，如果有任何能夠驗證這些預測的方法，甚至可以是遠程的，那都將會是個重大進步。
引力波天文台探測黑洞“毛髮”
但探測黑洞“毛髮”也並非易事。首先，我們無法確定近似極值黑洞是否真的存在。哈佛大學的切斯勒教授坦言，目前使用最先進手段模擬出的黑洞與極值黑洞仍存在30%的差距。
其次，即使在近似極值黑洞存在的情況下，我們也不清楚現有引力波探測器的靈敏度是否可以做到探測到黑洞毛髮中的引力不穩定性。
最後，更重要的是，這種“毛髮”非常難以捕捉，因為它的壽命極短，僅能存在不到一秒鐘的時間。
不過從理論上來看，這項研究成果還是比較合理的。切斯勒說：“我覺得科學界不會有人對其提出質疑。這並不是無端推測，只是愛因斯坦的相對論方程是如此複雜，我們每年都可以從中發現它們的新特性。”
下一階段，研究人員們將會把精力放在應該在引力波探測器上尋找什麼樣的引力信號。
這些引力波探測器包括目前已經投入使用的LIGO和Virgo等引力波天文台，或者也有可能是美國國家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的太空中的引力波天文台——激光干涉空間天線，LISA。
人類第一座太空中的引力波天文台LISA 圖源：New Scientist
伊利諾伊大學香檳分校的天體物理學家海爾維·維特克表示：
“我們現在應該在前人的研究基礎上，繼續計算出這種黑洞‘毛髮’的引力輻射頻率，並真正弄清楚我們該如何測量和識別這一引力輻射。進而，我們將從這個非常出色且重要的理論研究延伸到黑洞‘毛髮’具體特徵的探究。”
科學家們有充分的理由和動力在這一領域繼續探索。雖然驗證黑洞“毛髮”存在理論是否正確的探測機會十分渺茫，但一旦發現黑洞視界上存在信息，這將不僅挑戰愛因斯坦的廣義相對論，也會證明近似極值黑洞的存在。
康納表示，“我們真的很想知道是否存在一個自然形成的近似極值的黑洞，這將對我們的研究領域產生翻天覆地的影響”。
參考：
1.https://www.quantamagazine.org/in-violation-of-einstein-black-holes-might-have-hair-20210211/
2.https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.L021502
3.https://www.newscientist.com/article/2081000-listening-for-gravitational-waves-from-the-birth-of-the-universe/
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編譯 | Daisy Zuo
版面 | 小顧
