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广义相对论是错的?引力波验证了广义相对论,却可能揭...

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发表于 2018-4-6 19:47:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

两年前,引力波信号的发现为天文学家探索宇宙提供了一项全新的工具。而现在,这个工具有可能帮助我们解决量子力学与相对论在黑洞边界的冲突——如果关于“火墙”的观测结果成立,它将证实,爱因斯坦的广义相对论存在缺陷……
每一位理论物理学家都有着这样一个梦想:有一天,那个能够与所有数据相吻合的公式将会出现。当然,这个梦很难实现。即使最终梦想成真,有的人可能也等不到那一天。
例如,阿尔伯特·爱因斯坦在 1955 年去世。直到 60 年后,他的方程中最令人震惊的结果才得到证实:时空存在着周期性的涟漪,可以将能量传输到数十亿光年之外,而这种涟漪就是 2015 年被探测到的引力波。

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LIGO的两处探测地址之一,位于华盛顿州汉福德

自 2015 年 9 月的黑洞并合事件起,激光干涉引力波天文台(LIGO)团队已经报告了5起引力波观测事件(第 6 起已经出现,但数据的显著性刚好够不上标准)。虽然引力波信号屡次出现,但 LIGO 的数据仍然没有得到充分研究。对于这种理解宇宙的全新方式,物理学家们必须在发展观测技术的同时,提升数据分析手段。

这项任务可并不容易。观测引力波不是那种通过偶然事件就能取得的发现。但是既然有了数据,物理学家们就可以从中进一步理解黑洞、中子星,包括得知它们的位置、物质组成和质量。他们已经测量了宇宙的膨胀系数,并对爱因斯坦的广义相对论做了新的精确测试。而迄今为止,这个理论通过了所有的测试。

这些测试对爱因斯坦的理论的正确性的证实令人叹为观止,但或许也正是这些测试可以揭示这个理论错误的地方。

物理学家们知道,广义相对论在靠近黑洞中心的地方会失效。然而,黑洞的中心——奇点以视线无法企及而闻名。它由黑洞的事件视界保护着,事件视界环绕在黑洞周围,是一个连光线都无法逃脱的表面。在广义相对论中,黑洞的事件视界是没有物质的;它不构成任何障碍。黑洞只是将一切胆敢越过视界的东西吞噬。

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引力波验证黑洞“火墙”?大多数物理学家相信,广义相对论正确描述了黑洞的事件视界。但是一些物理学家声称,广义相对论和量子物理的矛盾意味着,在事件视界可能有其他的事情发生。尤其是,有人称黑洞周围被一道“火墙”环绕。这种想法尽管引起了很多争议,却确实推动了我们认识事件视界的另一种描述方式。


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黑洞火墙模拟图

如果有像火墙一样的东西挡在事件视界处,那么视界就有可能反射引力波。如果事实如此,我们就能通过LIGO找到这些修正的证据。尤其是,两个黑洞之间的并合过程理应产生回声。
这一观点由两个科学团队分别独立提出,这两个团队分别由葡萄牙里斯本高等理工学院的Vítor Cardoso和布法罗大学的Niayesh Afshordi领导。通过一个含有物质的视界的简单模型,研究者发现,在黑洞并合所产生的引力波中,有一部分会弹向黑洞的中心。随后,这部分引力波会向外反弹,其中一部分又会在事件视界再次被弹向黑洞中心——黑洞就像一个两边安装着半透明镜子的谐振腔一样,释放周期性的振幅衰减的信号。也就是说,它会发出回声。

那么,实际观测数据与上文的理论相符吗?在2016年年末,Afshordi和合作者将专门设计的分析方法应用在了公开的LIGO数据上,来寻找回声的证据。令人惊奇的是,回声刚好在他们寻找的地方出现了。这个信号并不明显,研究者们估计它有百分之一的可能性只是噪声,但无论如何,这是一个振奋人心的信号。
这个设想意义重大,同时需要足够的勇气。如果正确,就会成为爱因斯坦理论存在错误的确凿证据。

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是关键信号还是噪音?在Afshordi的研究组发表他们的论文之后几周,LIGO的成员给出了回复,对Afshordi的分析表示了关切。接下来LIGO团队开始做他们自己的研究。但是大的合作项目进度会很慢,所以一年多之后LIGO团队才完成分析并得到合作者的准许,以发表他们的工作。

LIGO团队的分析结果现已公开。研究者们找到了回声,但是显著性比之前估计的低。他们认为,回声只是噪音的可能性是五十分之一。此外,这项研究在一个特别的事件中发现了回声存在的最有力的证据,但这个事件本身的显著性最低。当他们把这个事件从样品中去除后,回声不存在的概率上升到了近乎20%。

为了使数据分析能够完成,物理学家们必须对他们寻找的信号做出一些假设。受Afshordi的模型的启发,研究人员假设回声存在规律性的间隔、它们会指数衰减,并且它们仍然是没有经过修正的(尽管振幅会衰减)。在很多方面,他们都在找有可能存在的最简单回声。

理论物理学家现在可以回顾这些数据分析,并发展出一些和数据更加吻合的假设。但是一次次地重复分析同样的数据风险很大:他们并没有发展出一种更好的理论,只是在增大噪声而已。
找到的回声种类越多,他们就越有可能找到什么东西。但是不断重复的尝试将有可能使数据显著性变得不可靠。而唯一的解决方法,就是新的数据。在这个问题解决之前,理论和实验将会发生多轮类似的交流。

迄今为止,理论工作者和实验工作者都发现这样的交流很有成效。Afshordi说:“我们将全力以赴地为回声建立理论模型,并发现更好的办法来找到回声。”他也指出,另一个研究组也在LIGO的数据中发现了回声的信号,他说结果是假的的可能只有百分之一。

同时,LIGO的研究人员Ofek Birnholtz说:“目前的理论与数据之间肯定存在矛盾,”但是黑洞存在回声的想法“毫无疑问是值得深入研究的。”对黑洞回声的寻找,已经成为了LIGO的一项正式目标。

撰文   Sabine Hossenfelder翻译   刘博尧审校   吴非

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