今年2月，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次發(fā)現(xiàn)了黑洞合并產(chǎn)生引力波的證據(jù)，這被視為是對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的一次有力證明。但英國《自然》雜志網(wǎng)站近日刊文稱，具有反諷意味的是，這一發(fā)現(xiàn)似乎也是廣義相對(duì)論在黑洞邊緣會(huì)失效的首個(gè)證據(jù)——物理學(xué)家們對(duì)LIGO公開發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析后表示，他們?cè)诤诙催吘壈l(fā)現(xiàn)了引力波的“回聲”，這似乎違背了廣義相對(duì)論。

此前物理學(xué)家們?cè)茰y，廣義相對(duì)論在某些極端情況下（比如黑洞中央）可能會(huì)失效，而這些回聲或許表明，相對(duì)論會(huì)在遠(yuǎn)離黑洞中央的邊緣失效。隨著研究的進(jìn)一步深入，將有更多數(shù)據(jù)出現(xiàn)，如果這些回聲消失，那么，廣義相對(duì)論又通過了一次嚴(yán)苛測試；但如果它們一直存在，這將是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。

黑洞事件視界是矛盾集中點(diǎn)

黑洞的經(jīng)典圖像來源于愛因斯坦的廣義相對(duì)論：一個(gè)巨大的物體將時(shí)空扭曲，在擁有足夠質(zhì)量的情況下，時(shí)空曲率增大，連光都無法逃離，這些物體因此得名黑洞。根據(jù)這一模型，不幸進(jìn)入黑洞邊界——事件視界的萬事萬物將被黑洞完全摧毀。正如最新研究負(fù)責(zé)人之一、加拿大滑鐵盧大學(xué)的宇宙學(xué)家尼亞什·阿弗肖迪所說：“黑洞就像一個(gè)無底坑。”

但在2012年，加州物理學(xué)家們意識(shí)到，如果量子物理是正確的，那黑洞的事件視界應(yīng)該被一個(gè)“火墻”取代，這個(gè)“火墻”是一個(gè)由高能粒子組成的環(huán)，會(huì)將任何通過的物質(zhì)烤焦，但這又違背了廣義相對(duì)論；如果黑洞沒有“火墻”，則暗示量子理論是錯(cuò)誤的。所以，廣義相對(duì)論和量子理論在此發(fā)生了沖突。

其他與廣義相對(duì)論矛盾的新奇理論也預(yù)測，黑洞事件視界存在某些結(jié)構(gòu)，比如，某些版本的弦論聲稱，黑洞是個(gè)“毛球”——纏繞在一起的能量線，事件視界表面是毛茸茸的，而非界限清楚的。阿弗肖迪表示，迄今為止，我們似乎沒有任何辦法凝視事件視界，發(fā)現(xiàn)那里具體存在“何方神圣”。

回聲或是解決問題的鑰匙

不過，情況在今年2月份發(fā)生了變化。LIGO團(tuán)隊(duì)宣布，探測到了首個(gè)引力波證據(jù)，這一引力波由兩個(gè)黑洞合并生成。葡萄牙里斯本高級(jí)技術(shù)學(xué)院的維托爾·卡多蘇領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)很快提出，如果黑洞的事件視界存在一個(gè)“火墻”（這一點(diǎn)違背了廣義相對(duì)論），那么這些黑洞的合并除了會(huì)爆發(fā)出引力波外，可能也會(huì)釋放出一系列回聲。

回聲之所以會(huì)出現(xiàn)，是因?yàn)椤盎饓Α被蛉魏纹渌Y(jié)構(gòu)會(huì)在傳統(tǒng)的黑洞事件視界制造出一個(gè)特殊的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的內(nèi)邊緣是傳統(tǒng)的事件視界，進(jìn)入內(nèi)邊緣以內(nèi)沒有光子能逃脫。外邊緣孔隙多一點(diǎn)，穿過這個(gè)邊界的光子有些會(huì)被黑洞捕獲，但有些可能會(huì)逃出。這一影響也會(huì)部分地捕獲由黑洞合并釋放的引力波，它們將在內(nèi)外邊緣之間彈來彈去，每次逃出一些，從而產(chǎn)生回聲。

阿弗肖迪團(tuán)隊(duì)構(gòu)造了一個(gè)簡單的模型，用鏡面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黑洞事件視界，并在其上應(yīng)用LIGO迄今捕獲到的3次黑洞合并的屬性。結(jié)果表明，如果黑洞事件視界存在任何結(jié)構(gòu)，那么黑洞合并的引力波信號(hào)也會(huì)伴隨著周期性并逐步衰減的回聲，重復(fù)的回聲之間精確的時(shí)間間隔約為0.1秒、0.2秒、0.3秒。有趣的是，當(dāng)他們研究LIGO數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，所有三次合并釋放出的引力波之后都伴隨有連續(xù)的回聲，時(shí)間間隔正是預(yù)測的間隔。

更多數(shù)據(jù)將證實(shí)或證偽

阿弗肖迪說，如果把所有黑洞合并事件都考慮進(jìn)去，置信度為99.6%（2.9西格瑪），但這并沒有達(dá)到宣稱一個(gè)發(fā)現(xiàn)所需要的5西格瑪，為了確保這些回聲并非噪音，科學(xué)家們必須在未來發(fā)現(xiàn)的黑洞合并中找到這樣的回聲。

據(jù)麻省理工學(xué)院（MIT）官網(wǎng)近日消息，在過去一年中，科學(xué)家改進(jìn)、強(qiáng)化了LIGO系統(tǒng)的激光器、電子設(shè)備以及光學(xué)設(shè)備等性能，使LIGO的靈敏度提高了10％到25％。科學(xué)家希望，升級(jí)后的LIGO能探測到宇宙深處發(fā)出的更多、更頻繁的引力波信號(hào)及引發(fā)引力波信號(hào)的宇宙極端現(xiàn)象。阿弗肖迪說：“升級(jí)后的LIGO提供的更精確數(shù)據(jù)將有助于我們?cè)谖磥韮赡陜?nèi)證實(shí)或證偽這一發(fā)現(xiàn)。”

LIGO團(tuán)隊(duì)成員、德國馬克斯普朗克引力物理學(xué)研究所的物理學(xué)家亞歷桑德拉·波南諾說，LIGO科學(xué)家正在對(duì)回聲信號(hào)進(jìn)行分析。而且他認(rèn)為，阿弗肖迪使用的鏡面模型太過粗糙，因此很難確定究竟是“火墻”“毛球”還是其他什么結(jié)構(gòu)制造出了這種回聲。他說，更復(fù)雜的模型或許可以通過預(yù)測回聲的振幅及消亡速度，來確定制造回聲的“幕后推手”。

盡管該團(tuán)隊(duì)的論文提供了背離廣義相對(duì)論的線索，但加州大學(xué)圣巴巴拉分校的黑洞研究員斯蒂芬·基丁斯說，迄今為止，這些僅僅只是線索。“未來，LIGO和其他探測器提供的數(shù)據(jù)，或能讓我們對(duì)這一新的物理學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究。”（記者 劉霞）