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    引力波数据暗示防火墙或其他奇异物理学迹象

    2016年12月29日 09:31:44   来源:中国科学报

     黑洞回声瓦解广义相对论:引力波数据暗示防火墙或其他奇异物理学迹象

      LIGO捕捉到的黑洞融合提供了探索新物理的一个机遇。图片来源:Nicolle R. Fuller

      它被欢呼为极大地肯定了爱因斯坦的广义相对论,但具有讽刺意味的是,今年年初发现引力波可能预兆着该理论在黑洞边缘被瓦解的首个证据。物理学家已经分析了来自激光干涉引力波天文台(LIGO)公开发布的数据,并宣称已经发现了这些引力波的“回声”,但其似乎与广义相对论的预测相矛盾。

      不过,这些回声仍可能与更多数据一同消失。如果它们的确存在,这项发现将异乎寻常。物理学家曾预测,爱因斯坦的这个极为成功的理论在一些极端场合可能会瓦解,比如在黑洞中心。这些回声甚至能够表明,广义相对论在远离黑洞中心的黑洞边缘就会瓦解。

      如果这些回声消失,那么广义相对论将会经受一次考验。此前,并不清楚物理学家能否检测其并不标准的预测。“LIGO和很多其他探测对调查新物理机制提供了令人兴奋的机遇。”美国加州大学圣塔芭芭拉分校黑洞研究者Steve Giddings说。

      LIGO团队表示它已经意识到这一预测,正在寻找回声数据。

      黑洞边缘即视界,长期以来被认为实验难以企及。根据广义相对论,穿过这一障碍的任何事物都能够被黑洞捕获,没有任何逃脱几率。它会被吸引到黑洞核心,那里黑洞的所有物质聚集在一起。“黑洞被认为就像无底洞。”加拿大滑铁卢大学宇宙学家Niayesh Afshordi说。

      在标准图像中,这会导致视界一无所有,不幸穿过它的人将不会在这个环境中注意到任何突然的变化。但在2012年,加州物理学家意识到如果量子物理是正确的,那么视界应该被防火墙—— 一个会将任何经过它的物质燃烧到易碎的高能粒子环——替换,而这与广义相对论相矛盾。另一种选择是黑洞不受防火墙限制,但这意味着量子理论是错误的。

      与广义相对论相矛盾的其他新奇理论也预测了视界的一些结构,例如,弦理论的一些版本称黑洞是真正的“模糊球体”:在边界清楚的视界的位置有一种由纠结的能量线构成的模糊表面。然而,Afshordi说,似乎没有任何方法能够看清视界从而了解那里是否有东西以及究竟是什么。

      然而,当LIGO团队宣布发现引力波或时空涟漪的首个直接证据之后,这个局面在今年2月发生了变化。当两个黑洞合并后,产生了这些波纹。很快,由葡萄牙里斯本高级技术学院物理学家Vítor Cardoso带领的团队提议,如果与广义相对论存在任何奇怪的偏差,如防火墙,那么在爆发引力波的同时,两个合并的黑洞还会产生一系列回声。

      产生这些回声是因为一堵防火墙或其他种类的结构会在传统的视界有效地产生一个模糊的区域。这个区域的内部边界是常规的视界,其边界外围没有光粒子或光子能够逃逸。其外部边界则更具渗透性:穿过这一边界的典型光子将被黑洞困住,但一些光子可能会逃逸,这取决于它们的接触角度。这一效应还会在部分上困住由合并黑洞产生的引力波。它们会在内部边界和外部边界之间前后弹跳,其中每次都会有一些逃逸。

      回声可能是统计结果,Afshordi说,如果随机噪声位于这些模式背后,那么见到这些回声的几率可能是1/270或是2.9西格玛。为了确保它们不是噪声,需要在未来的黑洞合并中观察这种回声。“好的一面是提升了敏感度的新LIGO数据会加进来,如此一来人们就可以在未来两年确定它,或是排除他。”

      LIGO团队成员、德国马普学会引力物理研究所物理学家Alessandra Buonanno说,LIGO科学家正在分析回声信号。Afshord曾使用的简单镜面模型过于基础,很难说明防火墙、模糊球体或是其他事物形成了回声。他表示,需要更加复杂的模型在这些选项之间进行区分,比如通过预测回声的振幅以及它们多快消失等。

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