LIGO捕捉到的黑洞融合提供了探索新物理的一個(gè)機(jī)遇。圖片來(lái)源：Nicolle R. Fuller

它被歡呼為極大地肯定了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，但具有諷刺意味的是，今年年初發(fā)現(xiàn)引力波可能預(yù)兆著該理論在黑洞邊緣被瓦解的首個(gè)證據(jù)。物理學(xué)家已經(jīng)分析了來(lái)自激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）公開(kāi)發(fā)布的數(shù)據(jù)，并宣稱已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些引力波的“回聲”，但其似乎與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)相矛盾。

不過(guò)，這些回聲仍可能與更多數(shù)據(jù)一同消失。如果它們的確存在，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將異乎尋常。物理學(xué)家曾預(yù)測(cè)，愛(ài)因斯坦的這個(gè)極為成功的理論在一些極端場(chǎng)合可能會(huì)瓦解，比如在黑洞中心。這些回聲甚至能夠表明，廣義相對(duì)論在遠(yuǎn)離黑洞中心的黑洞邊緣就會(huì)瓦解。

如果這些回聲消失，那么廣義相對(duì)論將會(huì)經(jīng)受一次考驗(yàn)。此前，并不清楚物理學(xué)家能否檢測(cè)其并不標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。“LIGO和很多其他探測(cè)對(duì)調(diào)查新物理機(jī)制提供了令人興奮的機(jī)遇。”美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校黑洞研究者Steve Giddings說(shuō)。

LIGO團(tuán)隊(duì)表示它已經(jīng)意識(shí)到這一預(yù)測(cè)，正在尋找回聲數(shù)據(jù)。

黑洞邊緣即視界，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為實(shí)驗(yàn)難以企及。根據(jù)廣義相對(duì)論，穿過(guò)這一障礙的任何事物都能夠被黑洞捕獲，沒(méi)有任何逃脫幾率。它會(huì)被吸引到黑洞核心，那里黑洞的所有物質(zhì)聚集在一起。“黑洞被認(rèn)為就像無(wú)底洞。”加拿大滑鐵盧大學(xué)宇宙學(xué)家Niayesh Afshordi說(shuō)。

在標(biāo)準(zhǔn)圖像中，這會(huì)導(dǎo)致視界一無(wú)所有，不幸穿過(guò)它的人將不會(huì)在這個(gè)環(huán)境中注意到任何突然的變化。但在2012年，加州物理學(xué)家意識(shí)到如果量子物理是正確的，那么視界應(yīng)該被防火墻—— 一個(gè)會(huì)將任何經(jīng)過(guò)它的物質(zhì)燃燒到易碎的高能粒子環(huán)——替換，而這與廣義相對(duì)論相矛盾。另一種選擇是黑洞不受防火墻限制，但這意味著量子理論是錯(cuò)誤的。

與廣義相對(duì)論相矛盾的其他新奇理論也預(yù)測(cè)了視界的一些結(jié)構(gòu)，例如，弦理論的一些版本稱黑洞是真正的“模糊球體”：在邊界清楚的視界的位置有一種由糾結(jié)的能量線構(gòu)成的模糊表面。然而，Afshordi說(shuō)，似乎沒(méi)有任何方法能夠看清視界從而了解那里是否有東西以及究竟是什么。

然而，當(dāng)LIGO團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)引力波或時(shí)空漣漪的首個(gè)直接證據(jù)之后，這個(gè)局面在今年2月發(fā)生了變化。當(dāng)兩個(gè)黑洞合并后，產(chǎn)生了這些波紋。很快，由葡萄牙里斯本高級(jí)技術(shù)學(xué)院物理學(xué)家Vítor Cardoso帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)提議，如果與廣義相對(duì)論存在任何奇怪的偏差，如防火墻，那么在爆發(fā)引力波的同時(shí)，兩個(gè)合并的黑洞還會(huì)產(chǎn)生一系列回聲。

產(chǎn)生這些回聲是因?yàn)橐欢路阑饓�或其他種類的結(jié)構(gòu)會(huì)在傳統(tǒng)的視界有效地產(chǎn)生一個(gè)模糊的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)部邊界是常規(guī)的視界，其邊界外圍沒(méi)有光粒子或光子能夠逃逸。其外部邊界則更具滲透性：穿過(guò)這一邊界的典型光子將被黑洞困住，但一些光子可能會(huì)逃逸，這取決于它們的接觸角度。這一效應(yīng)還會(huì)在部分上困住由合并黑洞產(chǎn)生的引力波。它們會(huì)在內(nèi)部邊界和外部邊界之間前后彈跳，其中每次都會(huì)有一些逃逸。

回聲可能是統(tǒng)計(jì)結(jié)果，Afshordi說(shuō)，如果隨機(jī)噪聲位于這些模式背后，那么見(jiàn)到這些回聲的幾率可能是1/270或是2.9西格瑪。為了確保它們不是噪聲，需要在未來(lái)的黑洞合并中觀察這種回聲。“好的一面是提升了敏感度的新LIGO數(shù)據(jù)會(huì)加進(jìn)來(lái)，如此一來(lái)人們就可以在未來(lái)兩年確定它，或是排除他。”

LIGO團(tuán)隊(duì)成員、德國(guó)馬普學(xué)會(huì)引力物理研究所物理學(xué)家Alessandra Buonanno說(shuō)，LIGO科學(xué)家正在分析回聲信號(hào)。Afshord曾使用的簡(jiǎn)單鏡面模型過(guò)于基礎(chǔ)，很難說(shuō)明防火墻、模糊球體或是其他事物形成了回聲。他表示，需要更加復(fù)雜的模型在這些選項(xiàng)之間進(jìn)行區(qū)分，比如通過(guò)預(yù)測(cè)回聲的振幅以及它們多快消失等。

（晉楠編譯）