Tuesday , 25 April 2017

双黑洞重力波出现“回波” 爱因斯坦相对论失效了?

2016年的物理学越来越有趣了

今年二月,天文学家团队发表一个具有历史意义的重大发现,爱因斯坦预言重力波存在以后一百年,现在首次被预测到,研究团队探测到两个黑洞融合后向外幅射经过时空涟漪效应的重力波(gravitational wave)。

爱因斯坦的“广义相对论”(general theory of relativity)是备受肯定的,然而一次不预期的发现,第一次获得的探测提供了令人着迷的证据,扭转了爱因斯坦黑洞的“事件视界”(event horizon)理论。[注:在非常巨大的重力影响下,黑洞周围逃逸速度大于光速,使得任何光线皆不可能从事件视界内部逃脱。]。

自今年二月之后,美国的雷射干涉仪重力波观测站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)团队总共观测到三个重力波事件。现在研究人员已仔细审查过这些资料并且宣称他们已发现重力波中的“回波”(echoes),可以挑战爱因斯坦的黑洞说法。

目前为止,这些新的声称已在ArXiv.org发表,在送交同行评审(peer-review)之前,其他物理界的一般大众可以先看到这则报告来检视这次学术成果。所以,假如这些资料得到愈多的仔细调查,那些对资料有偏见的声音就会消失。

目前的证据离至关紧要的小误差幅度5西格玛(sigma)范围内还有一大段距离,这是物理世界中的黄金标准值,表示三百五十万分之一的机率结果会是侥幸的。

不过如果更进一步的研究显示这些“回波”真的存在的话,那将会是物理界重大的一天,学者们认为广义相对论在黑洞核心已失效,但这个重力波发现,也证实了广义相对论在黑洞边界也是失败的,这将可以预见新的物理学之未来。

Steve Giddings,一个来圣巴巴拉市自加州大学黑洞的研究人员,他并没有参与重力波的研究,但告诉自然期刊的Zeeya Merali说:“LIGO干涉仪的探测以及来自更多资源的预测,提供一个令人兴奋的机会来观察新的物理学领域。”

如果“回波”消失了,广义相对论还得禁得住其它的测试,几十年以来,物理学家一直试图对广义相对论戳破漏洞,试着想要找到“量子力学”(quantum mechanics)是较能兼容并蓄各种现象的解释,然而目前看来,爱因斯坦的最初版本的理论还支撑得挺好的。

不过在我们太扯开话题之前,先问回来,这些“回波”是什么?它们跟广义相对论有什么关联性?

归根究底,这会涉及到一个叫做“黑洞资讯悖论”(black hole information paradox)上。

根据爱因斯坦的广义相对论,任何跨越黑洞周围的“事件视界”范围的信息或者粒子都会消失,不留下任何痕迹,传统的想法是甚至连光都难以逃离黑洞,所以才叫“黑洞”啊。

但近期研究人员愈来愈质欵这个理论,因为根据量子力学,被黑洞吞噬的物质事实上是可以自行留下痕迹到黑洞之外的。

所以一个“事件视界”要如何同时来满足广义相对论[摧毁任何经过黑洞边界的信息]和量子力量[在黑洞以外留下信息痕迹]呢?

这是物理学其中一个最大的问题,而且科学家们至今仍然没有答案。

有一个理论解释是“防火墙”(firewall)假说,于西元2012年提出的,这个理论是指出有一个高能量粒子环围绕在黑洞周围的“事件视界”,会烧掉任何经过的物质。

物理学家史蒂芬霍金(Stephen Hawking)有不同的看法,他认为黑洞是被“柔软毛发”(soft hair)包围,这个“柔软毛发”是能量低的量子激发,它们能够储存落入黑洞的任何东西的信息特征。

不论哪个假设是你认为最具有说服力的,总括想要传递的讯息是一样的,黑洞可能比我们想像还要蓬松(fluffier),而不是像广义相对论预测“事件视界”的东西一律都被清扫干净。

过去唯一的问题是我们没有任何方法来实际测试这些理论,直到今年初LIGO干涉仪探测到重力波。

现在根据探测结果得到的最新资料,一组国际研究团队已经提出了一个方法来测量黑洞周围竟究发生了什么事。

这个预测是,如果黑洞的边缘真的有挑战到广义相对论事件视界的说法,边界地带是蓬松的话,那么在一开始的重力波爆发后,一连串的回波应该就会释放信息出去黑洞外。

因为团队预测到蓬松的特性包围着黑洞,意味着黑洞周围就会表现的像有破洞的镜子般,黑洞融合爆发后的一些重力波就会设法逃出,一些信息弹出黑洞,也就是说等会儿就会被LIGO干涉仪撞见了。

根据研究团队的计算结果,在重力波一开始爆发之后,回波出来资料会被LIGO干涉仪以0.1,0.2和0.3秒的速率侦测到,实际呈现探侧到的结果。

不仅是今年二月首次发生的的重力波爆发信息被探测到,之后还有三个重力波事件发生。

当然啦,重力波爆发仍然只是一个规模相当小的范本,还有可能这些回波只是背景杂讯的一种,大约有二百七十分之一的机率,更正确地来说,落在2.9西格玛误差幅度,不过再进一步的观测应该可以协助缩小这些差异。

主导专案的研究员Niayesh Afshordi向自然(Nature)期刊说道:“好消息是新的LIGO的干涉仪改善敏感度后的探测资料将会进来,如此一来我们应该能够在接下来的二年内证实或者排除信息的可能性。”

即便是回波被证实了,这些回波对于黑洞的模糊边界提供什么状况,还没有答案,因此在信息的矛盾尚未解答之前,我们还有一大段路要走。

然而有件事情是肯定的,今年物理学的重大发现,愈来愈诱人了!

你可以在arXiv.org阅读到全篇文章。

来源:Science Alert 来源:赞新闻编译

2016-12-18

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