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相對論再次受到挑戰,這次愛因斯坦似乎有點懸!


相對論再次受到挑戰,這次愛因斯坦似乎有點懸!



愛因斯坦的廣義相對論是個放之四海而皆準的理論,無數試圖挑戰它的人都灰頭土臉敗下陣來。不過廣義相對論也預言了自己的失敗——在奇點處會失效,這個地方時間和空間曲率都無限小,通常存在於宇宙大爆炸之初和遍布宇宙的黑洞中心,科學家們稱之為時空破裂之處。除了奇點,如果誰還能在宇宙中找出其它讓相對論失效的地方,就意味著科學家們可能得重新審視相對論了。

現在這個地方可能已經出現了。今年2月,美國激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探測到廣義相對論一百多年前預言的時空漣漪——兩個黑洞合并產生的引力波,此後又探測到兩起引力波事件,在這些事件中,科學家們發現了一個奇怪的現象:在黑洞視界處出現了奇怪的回波。


廣義相對論預言,任何東西經過黑洞視界都會一去不復返,不會在宇宙中再留下任何痕迹,換言之,黑洞視界完全清晰透明,即使你經過那裡墜入奇點,你也完全你察覺不到,視界類似於人們頭腦里想像的地方,但它又是確實存在的。《星際穿越》里的黑洞就是根據黑洞專家索普基恩的指導這樣描述的。


2012年,一些科學家根據量子力學的理論,提出黑洞視界並不是廣義相對論預言的那樣,而很有可能是一堵火牆,一個高能粒子組成的環狀結構,任何經過那裡的東西都會被焚毀。這些結構可以在黑洞視界處產生一個模糊區域,有點類似鏡面,鏡面的內邊緣是通常的事件視界,超過該邊界就沒有任何東西能夠逃逸;外邊緣則有一些光子會逃逸,能不能逃脫完全取決於它們的入射角度。這種效應還會部分捕獲黑洞合并釋放的引力波,使之在內外邊緣之間來回彈跳,每次都會有一些逃逸。


廣義相對論和量子力學再一次對立起來,究竟哪種預言是正確的呢?科學家們建立了一個簡單的模型,黑洞被鏡面似的球形牆壁包圍,並用迄今為止探測到的三次黑洞合并的引力波數據進行檢驗。如果黑洞視界處存在任何結構,回波之間的精確時間間隔大約會是0.1,0.2,0.3秒,而LIGO檢測到的三次合并事件中的回波完全如此!

不過由於樣本太少,模型太簡單,回波是某種背景雜訊的可能性約為270分之一,沒有達到5個標準差的置信度,還需進一步探測。不過好消息是,LIGO經過又一次升級後,已經提高了敏感性,科學家預計在兩年內能確認或排除這種回波的存在,到時候物理學該向何處去就有方向了。


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