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壹些科學家說黑洞可能有頭發。霍金的理論會被推翻嗎?

霍金黑洞無毛定理會被推翻?因為黑洞傾向於“吸收”周圍的壹切(例如,光不能逃逸),所以即使是最小的黑洞也不會透露其起源或歷史的線索。這個令人沮喪的事實促使科學家在20世紀60年代宣布黑洞是“無毛的”,這意味著黑洞幾乎沒有彼此區分的特征。現在,新的計算表明,壹些黑洞可以長出頭發,但它們不能持續很久。根據這項新的研究,以接近(但不是完全)最大可能旋轉速度旋轉的黑洞表現出壹些獨特的性質。

然而,這些屬性不會持續很久,黑洞就會變得“光禿禿的(無毛)”,變得與其他同類黑洞無法區分。物理學家和研究作者Lior Burko說:這是壹個有趣的發現,因為這是壹種短暫的行為。黑洞頭發的比喻來自物理學家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和約翰·惠勒(John Wheeler)在20世紀60年代和70年代初進行的數學計算。

根據愛因斯坦的廣義相對論,黑洞只能用三個可觀測的參數來描述:①質量,②角動量,③電荷。其他的壹切,所有其他的信息,都被黑洞的引力困住了,所以不可能被觀測到。假設有兩個黑洞符合所有三個值,就不可能區分它們。

超級計算機模擬的可視化顯示了旋轉黑洞視界附近正電子的行為。圖片:凱爾·帕弗雷等人/伯克利實驗室

從那以後,理論家們壹直在尋找能夠區分黑洞的東西。如果科學家能夠找到壹些東西,它可能會打開關於特定黑洞起源的新發現。例如,盡管許多黑洞被認為是塌縮恒星的殘余,但壹些黑洞可能是在大爆炸後形成的,並在最早的宇宙結構中從異常密集的區域合並而來。

如果其中壹個原始黑洞具有相同的質量、角動量和電荷,它們將與恒星黑洞無法區分。由劍橋大學物理學家德揚·加伊奇(Dejan Gajic)領導的壹組研究人員發現,極端黑洞(電荷可能最高的黑洞)確實具有獨特的性質,可以區分黑洞。這些性質涉及黑洞的事件視界(引力強到光無法逃逸的點)和柯西視界(由於強引力場的時間彎曲效應,過去和未來的因果關系崩塌的點)的可測變化。Burko和他的同事開始對黑洞是否具有獨特的性質感興趣。

(圖為博科公園)事件視界望遠鏡是通過國際合作由8臺地面射電望遠鏡組成的行星陣列,它捕捉到了這張M87星系中心超大質量黑洞及其陰影的圖像。圖片:EHT協作

這些黑洞幾乎是極端的,但並不完整。並計算了兩種黑洞。第壹個是近乎極端的Reissner-Nordstr?m黑洞,這是壹種幾乎擁有最大可能電荷但不旋轉的黑洞。第二個是幾乎極端的克爾黑洞,這是壹個幾乎具有最大自旋但沒有電荷的黑洞。在這兩種極端黑洞中,科學家發現了黑洞有毛的證據。其發現發表在《物理評論研究》雜誌上。當壹個模擬黑洞第壹次形成時,可以測量到接近極端黑洞的獨特性質,但隨著時間的推移,會以時間的二次函數遞減。

這意味著這些值會在開始時快速收縮,然後隨著時間的推移以較慢的速度繼續收縮。(研究小組沒有實時計算這個過程的速度,這個速度取決於給定黑洞的質量、自旋和電荷。)。在極短的時間內(壹個近乎極端的黑洞)表現得像壹個有頭發的黑洞,像壹個旋轉最大的黑洞。但是過了壹段時間,黑洞開始脫落這些毛發,最終變成了壹個“光頭”無毛黑洞。雖然目前所有這些計算都是理論上的,現實世界中的觀察可能與這些發現相匹配或相矛盾,但這是有希望的。