LIGO 数据分析最新结果:引力波中的"回声"暗示广义相对论需修正

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12-14 19:38 科研圈 (keyanquan) 学术

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LIGO 探测到三个引力波事件:两次确定和一次疑似。(© LIGO)


爱因斯坦提出预言的100年后,时空的涟漪--引力波--终于被 LIGO 探测到,而且 LIGO 连续探测到三个这样的事件(两个确定,一个疑似)。这是爱因斯坦的广义相对论的一场大胜仗。


但是,在我们欢呼伟大胜利的同时,一个研究团队继续认真分析了所有的数据,并宣称他们发现了在引力波中的"回音"的证据,而这个结果暗示着爱因斯坦的理论将在预言黑洞的能力上失效。这个结果刚刚发表在了 ArXiv【文献1】,其他的物理学家将会对他们的结果进行更加严格的审查。


物理学家早就认为广义相对论在一些极端的情况下会失效,比如黑洞的核心,而这就显示它会在黑洞边缘失效。在过去的几十年中,物理学家一直在检验广义相对论,他们希望找到一个方法能够让它和量子力学兼容,但到目前为止,爱因斯坦的理论依然表现的非常出色。


虽然 LIGO 非凡的验证了广义相对论的预言,但如果引力波回声进一步得到确认,那么 LIGO 也同时告诉我们广义相对论需要得到修正。



LIGO探测到的黑洞之间的合并,提供了一个寻找新物理的机会。(© Nicolle R. Fuller)


说到现在我还没告诉你们什么是"回声",它跟广义相对论又有几毛钱关系?


这其实跟黑洞信息悖论有关。根据爱因斯坦的广义相对论,任何东西越过黑洞视界都会消失,我们无法追踪到它们的任何信息。所谓的视界也就是一旦光越过这个界限就再也无法逃离。而近几年,物理学家开始质疑这个想法。因为根据量子力学,被黑洞吞噬的物体其实会在黑洞视界留下了信息。


现在问题是,黑洞视界要如何同时满足广义相对论和量子力学?这是物理学最大的难题之一,而科学家至今没有提出一个让人满意的答案。


其中一个解释是在2012年提出的火墙假设,其大意是黑洞视界被一层高能粒子环绕,任何东西穿过都会被烤焦;霍金则有不同的想法,他认为黑洞裹着一层软"毛"。"毛"是指低能的量子激发,所有被黑洞吸进去的物体都会在软毛上留下信息。


无论你认为哪个假设更加有说服力,不同理论所要传达的信息都是一样的:黑洞的视界并不像广义相对论认为的很干净,而是比我们想象中的更加"毛绒绒"


但唯一的问题是我们先前无法验证这些理论,直到 LIGO 今年探测到了引力波,才给我们带来了全新的希望。现在,一个科研团队利用 LIGO 的数据,提出了一个方法来测量在黑洞周围究竟发生了什么。


根据他们的理论,如果黑洞的边界真的违反了广义相对论,并且是毛绒的,那么在最初的引力波爆发的时候就会释放出一系列的回声。


在黑洞合并事件后,引力波会被困住,并产生回声事件。(© J. Abedi et al.)


他们预测围绕着黑洞的毛绒会表现的像一面镜子,当黑洞合并它会困住逃离的引力波,并让他们弹跳一会儿(上图),一次只会让一部分引力波逃离。这意味着当引力波到达 LIGO 的时候会迟那么一点点。


根据他们的计算,这些回声会在最初引力波爆发后的0.1、0.2和0.3秒后被 LIGO 探测到,而这和数据显示的完全一致。物理学家在 LIGO 探测到的三次引力波事件中都看到了这样的情况。


当然,三个引力波爆发的数据还是太小。因此这些回声有可能只是一些背景噪声。


而好消息是 LIGO 经历了11个月的调整和优化,已经在11月30日再次重启,以更高的灵敏度开始采集数据。因此再接下来的两年期间就可以确定或排除该结果。不管结果是否又是一场空欢喜,至少目前它给出了一个新物理出现的可能性。


但即使是回声被确认了,我们也无从知道黑洞的模糊边界究竟是什么类型的,因此要解决黑洞信息悖论似乎还有很长的一段路要走。


但有一件事是肯定的:今年最伟大的物理发现变得越来越迷人了。


参考文献:

【1】https://arxiv.org/pdf/1612.00266.pdf


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