最新引力波數據分析暗示廣義相對論存在瑕疵

【分鐘物理】用簡筆畫告訴你什麼是引力波

LIGO捕捉到的黑洞融合提供了探索新物理的一個機遇。圖片來源：Nicolle R. Fuller

今年年初發現引力波被歡呼為極大地肯定了愛因斯坦的廣義相對論，但具有諷刺意味的是，物理學家已經分析了來自激光干涉引力波天文台（LIGO）公開發布的數據，並宣稱已經發現了這些引力波的「回聲」，但其似乎與廣義相對論的預測相矛盾。

不過，這些回聲仍可能與更多數據一同消失。如果它們的確存在，這項發現將異乎尋常。物理學家曾預測，愛因斯坦的這個極為成功的理論在一些極端場合可能會瓦解，比如在黑洞中心。這些回聲甚至能夠表明，廣義相對論在遠離黑洞中心的黑洞邊緣就會瓦解。

如果這些回聲消失，那麼廣義相對論將會經受一次考驗。此前，並不清楚物理學家能否檢測其並不標準的預測。「LIGO和很多其他探測對調查新物理機制提供了令人興奮的機遇。」美國加州大學聖塔芭芭拉分校黑洞研究者Steve Giddings說。

LIGO團隊表示它已經意識到這一預測，正在尋找回聲數據。

黑洞邊緣即視界，長期以來被認為實驗難以企及。根據廣義相對論，穿過這一障礙的任何事物都能夠被黑洞捕獲，沒有任何逃脫幾率。它會被吸引到黑洞核心，那裡黑洞的所有物質聚集在一起。「黑洞被認為就像無底洞。」加拿大滑鐵盧大學宇宙學家Niayesh Afshordi說。

在標準圖像中，這會導致視界一無所有，不幸穿過它的人將不會在這個環境中注意到任何突然的變化。但在2012年，加州物理學家意識到如果量子物理是正確的，那麼視界應該被防火牆—— 一個會將任何經過它的物質燃燒到易碎的高能粒子環——替換，而這與廣義相對論相矛盾。另一種選擇是黑洞不受防火牆限制，但這意味著量子理論是錯誤的。

與廣義相對論相矛盾的其他新奇理論也預測了視界的一些結構，例如，弦理論的一些版本稱黑洞是真正的「模糊球體」：在邊界清楚的視界的位置有一種由糾結的能量線構成的模糊表面。然而，Afshordi說，似乎沒有任何方法能夠看清視界從而了解那裡是否有東西以及究竟是什麼。

然而，當LIGO團隊宣布發現引力波或時空漣漪的首個直接證據之後，這個局面在今年2月發生了變化。當兩個黑洞合并後，產生了這些波紋。很快，由葡萄牙里斯本高級技術學院物理學家Vítor Cardoso帶領的團隊提議，如果與廣義相對論存在任何奇怪的偏差，如防火牆，那麼在爆發引力波的同時，兩個合并的黑洞還會產生一系列回聲。

產生這些回聲是因為一堵防火牆或其他種類的結構會在傳統的視界有效地產生一個模糊的區域。這個區域的內部邊界是常規的視界，其邊界外圍沒有光粒子或光子能夠逃逸。其外部邊界則更具滲透性：穿過這一邊界的典型光子將被黑洞困住，但一些光子可能會逃逸，這取決於它們的接觸角度。這一效應還會在部分上困住由合并黑洞產生的引力波。它們會在內部邊界和外部邊界之間前後彈跳，其中每次都會有一些逃逸。

回聲可能是統計結果，Afshordi說，如果隨機雜訊位於這些模式背後，那麼見到這些回聲的幾率可能是1/270或是2.9西格瑪。為了確保它們不是雜訊，需要在未來的黑洞合并中觀察這種回聲。「好的一面是提升了敏感度的新LIGO數據會加進來，如此一來人們就可以在未來兩年確定它，或是排除他。」

LIGO團隊成員、德國馬普學會引力物理研究所物理學家Alessandra Buonanno說，LIGO科學家正在分析回聲信號。Afshord曾使用的簡單鏡面模型過於基礎，很難說明防火牆、模糊球體或是其他事物形成了回聲。他表示，需要更加複雜的模型在這些選項之間進行區分，比如通過預測回聲的振幅以及它們多快消失等。

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