引力波的回声，是否意味着爱因斯坦的广义相对论将被颠覆？

LIGO捕捉到的黑洞合并为探索物理学新理论提供了良机。（图片来源：Nicolle R. Fuller/Science Photo Library）

　　引力波数据表现出了有关火墙或其他奇异物理学现象的迹象。

　　今年年初观测到的引力波被称为对爱因斯坦广义相对论的有力证明，但讽刺的是，这一发现或许也是这一理论在黑洞边缘失效的首个证据。物理学家分析了激光干涉引力波天文台（LIGO）公开发布的数据，并声称发现了似乎与广义相对论的预测相矛盾的引力波“回声”。（Abedi, J., Dykaar, H. & Afshordi, N. Preprint at https://arxiv.org/pdf/1612.00266 (2016)）

　　随着更多数据的出现，回声也可能消失。如果回声持续存在，这一发现的意义将会是非凡的。此前，物理学家已经预测爱因斯坦的这一极为成功的理论可能会在极端条件下（比如黑洞中心）失效；回声则表明还存在着更为惊人的可能性，即广义相对论也会在远离中心的黑洞边缘失效。

　　如果回声消失，广义相对论便经受住了对其正确性的一次考验；此前，人们并不清楚物理学家是否能验证广义相对论的非标准预测。

　　“LIGO的探测结果以及未来更多的潜在研究为探索新的物理学体系提供了激动人心的机会，”加州大学圣塔芭芭拉分校的黑洞研究者Steve Giddings说。LIGO团队表示，他们了解广义相对论的预测，并且正在数据中寻找回声。

　　无法触及

　　人们一直认为黑洞的边缘，即所谓的事件视界是无法通过实验方法研究的。根据广义相对论，任何跨过视界的物体都会被黑洞捕获，且无法逃逸。物体会被吸引到黑洞的中心，黑洞的所有物质都集中在此。“人们认为黑洞就像是无底洞，”加拿大滑铁卢大学的宇宙学家Niayesh Afshordi说。

　　在标准模型中，这使事件视界上什么也没有，跨过视界的倒霉蛋也不会感到周围的环境突然发生了改变。但在2012年，加州的一群物理学家意识到，如果量子物理学是正确的，那么视界应该被“火墙”所取代――一个由高能粒子组成的环，会把所有穿过它的物质燃烧殆尽――而这一点与广义相对论相矛盾。另一种理论则认为黑洞没有火墙，但这又意味着量子理论是错误的。

　　其他与广义相对论矛盾的奇异理论也预测黑洞视界上存在着某种结构。举例来说，弦论中的一些理论认为黑洞事实上是个“毛球”：相互缠绕在一起的能量线，事件视界表面毛茸茸的，而非界限分明。然而，人们并没有办法去观察视界上究竟有什么――如果那里真的存在任何事物的话，Afshordi说。

　　奇异偏差

　　这一点在今年二月改变了，当时，LIGO团队宣布首次探测到了引力波，也就是时空中的涟漪。引力波是在两个黑洞合并时产生的。随后不久，一支由葡萄牙高级技术学院的Vítor Cardoso带领的物理学家团队就提出，如果广义相对论存在奇异的偏差（比如火墙），那么在初始的引力波爆发后，黑洞合并还将会释放出一系列回声。

　　回声的出现是由于火墙（或者其他类型的结构）会在传统的事件视界形成一个模糊区。模糊区的内边界是传统的事件视界，没有任何光子能逃逸的边界。而外边界则存在较多孔隙：跨过这一边界的光子往往会被黑洞捕获，但一些光子也能逃逸，这取决于光子进入的角度。这一效应还会捕获黑洞合并释放出的部分引力波。这些引力波会在内外边界之间来回反弹，每次反弹中都会有一些引力波逃出黑洞。

　　Afshordi的团队建立了一个简单的模型，用镜面来代替传统的事件视界，并将LIGO目前为止捕获到的三次黑洞合并的性质应用在了这一模型中。他们计算出了回声重复的精确时间间隔――如果黑洞事件视界上有任何结构的话――结果分别是约0.1秒，0.2秒和0.3秒。随后，他们在研究LIGO数据时发现，三次合并释放出的引力波都伴有回声，且间隔恰好与模型的预测相同。

　　提高灵敏度

　　Afshordi表示，这些回声很可能是统计误差，如果将随机噪声考虑在内，则发现此类回声的概率约为二百七十分之一，即2.9sigma。要确认这些回声不是噪声，研究者还需要在未来的黑洞合并中再次找到这样的回声。“值得欣喜的是，灵敏度更高的新LIGO数据正在出炉，所以我们应该能在未来两年内确认或排除这一发现。”

　　LIGO团队成员、德国马克斯·普朗克引力物理研究所的物理学家Alessandra Buonanno表示，LIGO团队的科学家正在分析回声信号。

　　Afshordi使用的简单镜面模型过于粗糙，无法确定回声是否是由火墙、毛球还是其他结构造成的。他说，更为复杂的模型或许能通过预测回声的振幅和消亡速度来做出区分。

　　Giddings说，虽然Afshordi团队的论文展示了背离广义相对论的“诱人迹象”，但它们迄今为止还只是迹象而已。他也质疑Afshordi的镜面模型能否解释偏离广义相对论的原因，这在一定程度上是因为预测这些偏离的理论只为替代事件视界的结构提供了模糊的描述，难以对其精确建模。“一个基本的问题是，我们并没有对‘火墙’或‘毛球’做完善的物理描述。”

　　本文来自“Nature自然科研”公众号，经授权转载。

　　原文以LIGO black hole echoes hint at general-relativity breakdown为标题，发布在2016年12月9日的《自然》新闻上，原文作者：Zeeya Merali

　　延伸阅读

　　①待引力波拨动了天琴的弦

　　②宇宙的伟大和人类智慧的极致：从引力波说相对论

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