雙黑洞重力波的「回波」讓愛因斯坦的相對論失效了?

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2016年的物理學越來越有趣了

今年二月,天文學家團隊發表一個具有歷史意義的重大發現,愛因斯坦預言重力波存在以後一百年,現在首次被預測到,研究團隊探測到兩個黑洞融合後向外幅射經過時空漣漪效應的重力波(gravitational wave)

愛因斯坦的「廣義相對論」(general theory of relativity)是備受肯定的,然而一次不預期的發現,第一次獲得的探測提供了令人著迷的證據,扭轉了愛因斯坦黑洞的「事件視界」(event horizon)理論。﹝註:在非常巨大的重力影響下,黑洞周圍逃逸速度大於光速,使得任何光線皆不可能從事件視界內部逃脫。﹞。

自今年二月之後,美國的雷射干涉儀重力波觀測站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)團隊總共觀測到三個重力波事件。現在研究人員已仔細審查過這些資料並且宣稱他們已發現重力波中的「回波」(echoes),可以挑戰愛因斯坦的黑洞說法。

目前為止,這些新的聲稱已在ArXiv.org發表,在送交同行評審(peer-review)之前,其他物理界的一般大眾可以先看到這則報告來檢視這次學術成果。所以,假如這些資料得到愈多的仔細調查,那些對資料有偏見的聲音就會消失。

目前的證據離至關緊要的小誤差幅度5西格瑪(sigma)範圍內還有一大段距離,這是物理世界中的黃金標準值,表示三百五十萬分之一的機率結果會是僥倖的。

不過如果更進一步的研究顯示這些「回波」真的存在的話,那將會是物理界重大的一天,學者們認為廣義相對論在黑洞核心已失效,但這個重力波發現,也證實了廣義相對論在黑洞邊界也是失敗的,這將可以預見新的物理學之未來。

Steve Giddings,一個來聖巴巴拉市自加州大學黑洞的研究人員,他並沒有參與重力波的研究,但告訴自然期刊的Zeeya Merali說:「LIGO干涉儀的探測以及來自更多資源的預測,提供一個令人興奮的機會來觀察新的物理學領域。」

如果「回波」消失了,廣義相對論還得禁得住其它的測試,幾十年以來,物理學家一直試圖對廣義相對論戳破漏洞,試著想要找到「量子力學」(quantum mechanics)是較能兼容並蓄各種現象的解釋,然而目前看來,愛因斯坦的最初版本的理論還支撐得挺好的。

不過在我們太扯開話題之前,先問回來,這些「回波」是什麼?它們跟廣義相對論有什麼關聯性?

歸根究底,這會涉及到一個叫做「黑洞資訊悖論」(black hole information paradox)上。

根據愛因斯坦的廣義相對論,任何跨越黑洞周圍的「事件視界」範圍的信息或者粒子都會消失,不留下任何痕跡,傳統的想法是甚至連光都難以逃離黑洞,所以才叫「黑洞」啊。

但近期研究人員愈來愈質欵這個理論,因為根據量子力學,被黑洞吞噬的物質事實上是可以自行留下痕跡到黑洞之外的。

所以一個「事件視界」要如何同時來滿足廣義相對論﹝摧毀任何經過黑洞邊界的信息﹞和量子力量﹝在黑洞以外留下信息痕跡﹞呢?

這是物理學其中一個最大的問題,而且科學家們至今仍然沒有答案。

有一個理論解釋是「防火牆」(firewall)假說,於西元2012年提出的,這個理論是指出有一個高能量粒子環圍繞在黑洞周圍的「事件視界」,會燒掉任何經過的物質

物理學家史蒂芬霍金(Stephen Hawking)有不同的看法,他認為黑洞是被「柔軟毛髮」(soft hair)包圍,這個「柔軟毛髮」是能量低的量子激發,它們能夠儲存落入黑洞的任何東西的信息特徵。

不論哪個假設是你認為最具有說服力的,總括想要傳遞的訊息是一樣的,黑洞可能比我們想像還要蓬鬆(fluffier),而不是像廣義相對論預測「事件視界」的東西一律都被清掃乾淨。

過去唯一的問題是我們沒有任何方法來實際測試這些理論,直到今年初LIGO干涉儀探測到重力波。

現在根據探測結果得到的最新資料,一組國際研究團隊已經提出了一個方法來測量黑洞周圍竟究發生了什麼事。

這個預測是,如果黑洞的邊緣真的有挑戰到廣義相對論事件視界的說法,邊界地帶是蓬鬆的話,那麼在一開始的重力波爆發後,一連串的回波應該就會釋放信息出去黑洞外。

因為團隊預測到蓬鬆的特性包圍著黑洞,意味著黑洞周圍就會表現的像有破洞的鏡子般,黑洞融合爆發後的一些重力波就會設法逃出,一些信息彈出黑洞,也就是說等會兒就會被LIGO干涉儀撞見了。

根據研究團隊的計算結果,在重力波一開始爆發之後,回波出來資料會被LIGO干涉儀以0.1,0.2和0.3秒的速率偵測到,實際呈現探側到的結果。

不僅是今年二月首次發生的的重力波爆發信息被探測到,之後還有三個重力波事件發生。

當然啦,重力波爆發仍然只是一個規模相當小的範本,還有可能這些回波只是背景雜訊的一種,大約有二百七十分之一的機率,更正確地來說,落在2.9西格瑪誤差幅度,不過再進一步的觀測應該可以協助縮小這些差異。

主導專案的研究員Niayesh Afshordi向自然(Nature)期刊說道:「好消息是新的LIGO的干涉儀改善敏感度後的探測資料將會進來,如此一來我們應該能夠在接下來的二年內證實或者排除信息的可能性。」

即便是回波被證實了,這些回波對於黑洞的模糊邊界提供什麼狀況,還沒有答案,因此在信息的矛盾尚未解答之前,我們還有一大段路要走。

然而有件事情是肯定的,今年物理學的重大發現,愈來愈誘人了!

你可以在arXiv.org閱讀到全篇文章。

來源:Science Alert