廣義相對論是錯的？引力波驗證了廣義相對論，卻可能揭示其缺陷

兩年前，引力波信號的發現為天文學家探索宇宙提供了一項全新的工具。而現在，這個工具有可能幫助我們解決量子力學與相對論在黑洞邊界的衝突——如果關於「火牆」的觀測結果成立，它將證實，愛因斯坦的廣義相對論存在缺陷……

撰文 | Sabine Hossenfelder

翻譯 | 劉博堯

審校 | 吳非

每一位理論物理學家都有著這樣一個夢想：有一天，那個能夠與所有數據相吻合的公式將會出現。當然，這個夢很難實現。即使最終夢想成真，有的人可能也等不到那一天。

例如，阿爾伯特·愛因斯坦在1955去世。直到60年後，他的方程中最令人震驚的結果才得到證實：時空存在著周期性的漣漪，可以將能量傳輸到數十億光年之外，而這種漣漪就是2015年被探測到的引力波。

LIGO的兩處探測地址之一，位於華盛頓州漢福德

自2015年9月的黑洞併合事件起，激光干涉引力波天文台（LIGO）團隊已經報告了5起引力波觀測事件（第6起已經出現，但數據的顯著性剛好夠不上標準）。雖然引力波信號屢次出現，但LIGO的數據仍然沒有得到充分研究。對於這種理解宇宙的全新方式，物理學家們必須在發展觀測技術的同時，提升數據分析手段。

這項任務可並不容易。觀測引力波不是那種通過偶然事件就能取得的發現。但是既然有了數據，物理學家們就可以從中進一步理解黑洞、中子星，包括得知它們的位置、物質組成和質量。他們已經測量了宇宙的膨脹係數，並對愛因斯坦的廣義相對論做了新的精確測試。而迄今為止，這個理論通過了所有的測試。

這些測試對愛因斯坦的理論的正確性的證實令人嘆為觀止，但或許也正是這些測試可以揭示這個理論錯誤的地方。

物理學家們知道，廣義相對論在靠近黑洞中心的地方會失效。然而，黑洞的中心——奇點以視線無法企及而聞名。它由黑洞的事件視界保護著，事件視界環繞在黑洞周圍，是一個連光線都無法逃脫的表面。在廣義相對論中，黑洞的事件視界是沒有物質的；它不構成任何障礙。黑洞只是將一切膽敢越過視界的東西吞噬。

引力波驗證黑洞「火牆」？

大多數物理學家相信，廣義相對論正確描述了黑洞的事件視界。但是一些物理學家聲稱，廣義相對論和量子物理的矛盾意味著，在事件視界可能有其他的事情發生。尤其是，有人稱黑洞周圍被一道「火牆」環繞。這種想法儘管引起了很多爭議，卻確實推動了我們認識事件視界的另一種描述方式。

黑洞火牆模擬圖

如果有像火牆一樣的東西擋在事件視界處，那麼視界就有可能反射引力波。如果事實如此，我們就能通過LIGO找到這些修正的證據。尤其是，兩個黑洞之間的併合過程理應產生回聲。

這一觀點由兩個科學團隊分別獨立提出，這兩個團隊分別由葡萄牙里斯本高等理工學院的Vítor Cardoso和布法羅大學的Niayesh Afshordi領導。通過一個含有物質的視界的簡單模型，研究者發現，在黑洞併合所產生的引力波中，有一部分會彈向黑洞的中心。隨後，這部分引力波會向外反彈，其中一部分又會在事件視界再次被彈向黑洞中心——黑洞就像一個兩邊安裝著半透明鏡子的諧振腔一樣，釋放周期性的振幅衰減的信號。也就是說，它會發出回聲。

那麼，實際觀測數據與上文的理論相符嗎？在2016年年末，Afshordi和合作者將專門設計的分析方法應用在了公開的LIGO數據上，來尋找回聲的證據。令人驚奇的是，回聲剛好在他們尋找的地方出現了。這個信號並不明顯，研究者們估計它有百分之一的可能性只是雜訊，但無論如何，這是一個振奮人心的信號。

這個設想意義重大，同時需要足夠的勇氣。如果正確，就會成為愛因斯坦理論存在錯誤的確鑿證據。

是關鍵信號還是噪音？

在Afshordi的研究組發表他們的論文之後幾周，LIGO的成員給出了回復，對Afshordi的分析表示了關切。接下來LIGO團隊開始做他們自己的研究。但是大的合作項目進度會很慢，所以一年多之後LIGO團隊才完成分析並得到合作者的准許，以發表他們的工作。

LIGO團隊的分析結果現已公開。研究者們找到了回聲，但是顯著性比之前估計的低。他們認為，回聲只是噪音的可能性是五十分之一。此外，這項研究在一個特別的事件中發現了回聲存在的最有力的證據，但這個事件本身的顯著性最低。當他們把這個事件從樣品中去除後，回聲不存在的概率上升到了近乎20%。

為了使數據分析能夠完成，物理學家們必須對他們尋找的信號做出一些假設。受Afshordi的模型的啟發，研究人員假設回聲存在規律性的間隔、它們會指數衰減，並且它們仍然是沒有經過修正的（儘管振幅會衰減）。在很多方面，他們都在找有可能存在的最簡單回聲。

理論物理學家現在可以回顧這些數據分析，並發展出一些和數據更加吻合的假設。但是一次次地重複分析同樣的數據風險很大：他們並沒有發展出一種更好的理論，只是在增大雜訊而已。

找到的回聲種類越多，他們就越有可能找到什麼東西。但是不斷重複的嘗試將有可能使數據顯著性變得不可靠。而唯一的解決方法，就是新的數據。在這個問題解決之前，理論和實驗將會發生多輪類似的交流。

迄今為止，理論工作者和實驗工作者都發現這樣的交流很有成效。Afshordi說：「我們將全力以赴地為回聲建立理論模型，並發現更好的辦法來找到回聲。」他也指出，另一個研究組也在LIGO的數據中發現了回聲的信號，他說結果是假的的可能只有百分之一。

同時，LIGO的研究人員Ofek Birnholtz說：「目前的理論與數據之間肯定存在矛盾，」但是黑洞存在回聲的想法「毫無疑問是值得深入研究的。」對黑洞回聲的尋找，已經成為了LIGO的一項正式目標。

在理論物理中，我們都有著同樣的夢想。

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