摘要：根据爱因斯坦的引力理论，黑洞只有少数几个显著特征。量子理论暗示它们可能拥有更多。如今，一项实验研究发现，这些额外的“毛发”必然非常短。黑洞是否具有千篇一律的形态，或者具有揭示每个黑洞独特历史和构成的细微差别？

经过马特·冯·希佩尔 特约撰稿人

根据爱因斯坦的引力理论，黑洞只有少数几个显著特征。量子理论暗示它们可能拥有更多。如今，一项实验研究发现，这些额外的“毛发”必然非常短。黑洞是否具有千篇一律的形态，或者具有揭示每个黑洞独特历史和构成的细微差别？

根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，黑洞的行为取决于两个参数：质量和自转速度。仅此而已。黑洞被称为“无毛”——没有任何特征可以将其与具有相同质量和自转速度的同类黑洞区分开来。

随着新数据的出现，检验无毛发猜想的可能性开始显现。天文学家已经探测到数百个信号（打开新标签页）过去 10 年来，黑洞碰撞一直是天文学家关注的焦点。在这些戏剧性的事件中，时空结构中两个看不见、无法逃脱的深渊越来越快地相互旋转，然后合并成一个巨大的黑洞，碰撞后黑洞会像果冻一样摇晃。合并和摇晃会发出被称为引力波的涟漪，它们穿过宇宙结构向外扩散，到达地球上的探测器。如果广义相对论是正确的，那么这些摇晃的形式就千篇一律，只取决于每个黑洞的质量和自旋。（理论上，还有第三个定义属性：电荷。但真实的天体物理黑洞的净电荷可以忽略不计。）如果该理论是错误的，天文学家可能会观察到一些新的东西——揭示每个黑洞独特历史和构成的细微差别。

维托·卡多佐说：“随着时间的推移和事件的积累，我们意识到我们可以对广义相对论或其他理论进行更强有力的检验。”（打开新标签页），哥本哈根尼尔斯玻尔研究所的物理学家。

卡多佐和其他数十位引力波天文学家最近总结了这些测试的现状。他们的报告（打开新标签页）于 5 月底发布，涵盖了多种方法和结果，包括一项分析（打开新标签页）去年秋天，卡多佐及其同事对引力波信号进行了分析。通过收集多个黑洞碰撞的数据，该团队发现，这些数据与爱因斯坦的理论尽可能吻合。任何偏离广义相对论预测的黑洞周围时空形状——任何“毛发”——都必须位于距离黑洞40公里以内。

维托·卡多佐 (Vitor Cardoso) 最近领导了一项关于黑洞碰撞的分析，结果发现任何“头发”都必须位于距离黑洞 40 公里以内的范围内。

所以，目前为止，我们还没有看到任何毛发。但理论家们仍在思考各种可能性，爱因斯坦理论的漏洞表明，即使发现毛发极其困难，甚至几乎不可能，细微的量子“毛发”也应该存在。

毛状黑洞的问题与现代物理学中最大的难题密切相关：广义相对论如何与量子理论融合？

设想一个物体穿过黑洞的“不归点”（即事件视界）的情况。根据广义相对论，外界所能看到的只是被吞噬的物体对描述黑洞的两个数值的贡献：该物体增加了多少质量，以及它使黑洞的旋转速度加快或减慢了多少。

然而，被吞噬物体的所有其他信息的消失，与量子力学的核心原则之一相冲突。量子理论要求所有信息都必须被保存，并且理论上必须保持可访问性——否则量子概率加起来就不会达到100%，而这才是真正的100%。长期以来，理论物理学家一直对广义相对论与量子力学预测之间的冲突着迷，这被称为信息悖论。）

2012年，物理学家们表明，这一悖论与事件视界的本质紧密相关。他们早在20世纪70年代就知道黑洞会发出辐射，而且这种辐射可能以某种方式携带着落入黑洞物质的杂乱信息。现在，他们设想，如果一位即将穿越古老黑洞视界的宇航员与一位遥远的观察者——一位收集了黑洞在其整个生命周期内发出的辐射的观察者——进行通信，会发生什么。这个思想实验的结果令人费解：宇航员和这位遥远的观察者最终会得到两份相同的信息，一份是在黑洞漫长的生命周期内恢复的，另一份是在黑洞近处恢复的。额外的副本是一个问题，它再次破坏了量子力学所依赖的对概率的精确计算。一些物理学家得出结论，视界之外一定发生了一些奇怪的事情，扰乱了宇航员的信息收集。

解决信息悖论的尝试通常会在事件视界之外添加额外的细节，即所谓的量子毛发。2012年提出宇航员思想实验的研究人员认为，视界之外可能存在一层被称为“防火墙”的极高能粒子壳，从而切断两个观察者之间的联系。物理学家萨米尔·马图尔则认为，黑洞根本没有视界。相反，他认为黑洞是“毛球”——每个毛球都是许多不同时空结构的量子组合或叠加，这使得黑洞的边缘变得模糊。

模糊球解决黑洞悖论

物理模糊球解决黑洞悖论

其他想法包括“ gravastars（打开新标签页）”类似于黑洞，但被奇异物质外壳包围，以及所谓的常规黑洞（打开新标签页）— 重新构想的物体版本缺少中心无限密集的点（称为奇点）。

这些提案都引入了视界之外的新效应，这些效应应该会改变振动黑洞发射引力波的方式。

所提出的效应通常非常接近视界，可能仅在10-33厘米（即所谓的普朗克长度）以内。这种剪得很短的量子头发无法直接观察到黑洞碰撞信号的变化，但它可能通过其他方式被观测到。例如，引力波在视界附近的防火墙或其他结构上反弹时产生的一种被称为回声的异常后遗症，可能会在初始信号之后出现。

迄今为止，对回声的搜寻毫无进展。然而，这些失败的搜寻并不能排除量子毛发存在的可能性，因为目前尚不清楚哪些类型的量子毛发会产生回声，哪些不会，以及回声究竟会以何种方式出现。

与此同时，物理学家也可以寻找“更长”的头发——与爱因斯坦理论更明显的偏差。理论上，预期这种情况出现的理由较少，但另一方面，黑洞附近高度弯曲的时空对天文学家来说是一个全新的环境，他们不确定会发现什么。或许在这些条件下，时空的弯曲程度与广义相对论的预测不同。

Niayesh Afshordi表示：“我认为进行测试是值得的。”（打开新标签页），加拿大滑铁卢大学天体物理学家。

自2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到碰撞黑洞以来，物理学家们一直试图利用这些数据来检验爱因斯坦的理论。随着其他天文台——欧洲的Virgo和日本的KAGRA——的投入使用，该项目的进展也随之加快。然而，一个巨大的数学难题阻碍了这一进程：碰撞的黑洞始终在旋转，这极大地增加了计算的复杂性。早在1963年，数学家罗伊·克尔就根据爱因斯坦方程的框架计算出了旋转黑洞的行为。但如果这个框架是错误的呢？

2023 年，鲁汶大学的一组物理学家解决了这个问题。他们开发了一种技术（打开新标签页）用于了解如果爱因斯坦的理论被修改，快速旋转的黑洞将如何表现。

随后，在当年晚些时候的一次会议上，鲁汶研究小组的一名研究生Simon Maenaut（打开新标签页），遇见格雷戈里奥·卡鲁洛（打开新标签页）当时在哥本哈根担任博士后研究员，是分析引力波信号的专家。他们意识到可以用卡鲁洛的数据来验证鲁汶团队的理论，于是他们立即行动起来。“我们就像是跳到一张空桌子上，一起开始编程，”现在在伯明翰大学工作的卡鲁洛说。

Gregorio Carullo（左）与Simon Maenaut在一次会议上相遇，他们意识到可以将后者的分析技术与前者的引力波数据结合起来，对无毛猜想进行检验。

Bjarne Sørensen/NBIA；艾米莉亚·梅诺特

他们整合了22次黑洞碰撞的数据，确定如果这些碰撞都来自相同质量的黑洞，碰撞会是什么样子。然后，他们将这些数据与鲁汶团队的预测进行了比较。这种方法使研究人员能够提出以下问题：假设爱因斯坦的理论在高度弯曲的时空下出错，并且在事件视界之外出现了类似火墙或毛球的东西。这根“毛”有多长？黑洞与事件视界的距离需要多近，黑洞的行为才会与广义相对论下的行为不同？

他们以95%的置信度排除了距离视界40公里以内任何与爱因斯坦预测的偏差。对于大多数观测到的黑洞来说，这个距离略小于黑洞本身的半径。研究人员无法以任何方式给黑洞剪出平头，更不用说像大多数物理学家认为的那样，为了测试信息悖论的方案而必须剪出平头了。这一结果确实意味着黑洞与爱因斯坦的理论并没有太大的偏差。

LIGO、Virgo 和 KAGRA 预计将在本世纪剩余时间运行，甚至更长时间，并将于 2030 年左右与印度的另一个天文台一起运行。更多的数据将带来更精确的测量。

随后，下一代引力波探测器——计划中的美国“宇宙探索者”望远镜和欧洲“爱因斯坦望远镜”——将使精度进一步提升。“爱因斯坦望远镜基本上可以观测到宇宙中所有特定质量范围内的黑洞……这太不可思议了，”卡鲁罗说。

这样一来，我们就能更近距离地观察。研究人员不再需要寻找几十公里长的头发，而是能够找到一个足球场那么长的距离，来发现违反爱因斯坦理论的现象。

“我们有可能将爱因斯坦的广义相对论精确到小数点后五位，那就太好了，”梅诺特说，“但我们也有可能遇到一些意想不到的事情。”

来源：人工智能学家