圖片來源：D。
COE， J。
ANDERSON和R。
VAN DER MAREL（太空望遠鏡科學研究所），美國宇航局，歐洲航天局
撰文 | 王昱
審校 | 吳非
雙胞胎之間的差異遠遠大於黑洞之間的差異。雙胞胎可能擁有相同的基因藍本，但是他們卻能在氣質、外貌甚至是發型上，展現出各自的差異。但對於黑洞，根據愛因斯坦的引力理論，只能擁有三個特征——質量、自旋和電荷。如果兩個黑洞的這些值都相同的話，就不可能區分兩個黑洞。黑洞上面沒有能讓我們區分它們的「毛發」，這就是著名的黑洞無毛定理。
哈佛大學理論物理學家保羅·切斯勒（Paul Chesler）說：「在經典廣義相對論中，它們是完全一樣的，你不可能找到任何區別。」
接連浮現的問題
然而，科學家們已經開始考慮無毛定理是否完全正確。2012年，當時在劍橋大學（現在任職於多倫多大學）的數學家斯特凡諾斯· 阿雷塔基斯（Stefanos Aretakis）提出，一些黑洞在其事件視界中可能具有不穩定性。這些不穩定性將會在事件視界上的某些區域中產生更強的引力，讓原本全同的黑洞變得可以區分。
然而，他的方程僅僅適用於極端黑洞，即質量、自旋和電荷這3個特征中，有一個是理論上的最大值。據我們所知，「這些黑洞不可能存在，或者確切地說，不可能自然存在。」切斯勒說。
但如果一個黑洞，其中一個屬性值逼近極端值，卻沒有達到極端值呢？例如，近日國家天文台等對天鵝座X1（Cygnus X-1）的精確測量結果顯示，其中黑洞的自旋參數已經大於0.95，非常接近理論極限值1（換種說法，該黑洞的自轉速度大於光速的95%）。那這樣接近極限卻還沒有達到極限的黑洞，會有可檢測到的違背無毛定理的行為嗎？
天鵝座X1想象圖（圖片來源：國家天文台、國際射電天文研究中心）
並非鏡花水月
上個月底在《物理評論D》雜志上發表的一篇論文表示，的確可能會有這樣的行為。此外，這種「毛發」可以被引力波探測站觀測到。
馬薩諸塞大學和羅得島大學的物理學家、合著者之一的高拉夫·汗納（Gaurav Khanna）表示：「阿雷塔基斯的研究提出，事件視界上殘留有一些信息，而我們的論文開辟了測量這種‘毛發’的可能。」
值得注意的是，科學家認為要麼是黑洞信息的殘餘物，要麼是黑洞隨後受到的擾動（比如落入黑洞的物質），能在接近極限黑洞的事件視界上或者附近造成這種引力不穩定性。汗納說：「我們期待能看到和普通黑洞差異頗大的引力信號。」
普林斯頓高等研究院的天體物理學家莉婭·梅德羅斯表示，如果黑洞的確保有「毛發」，並以此保留了一部分關於它們過去的信息，這可能會對著名物理學家史蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖論產生沖擊。這個悖論提煉了20世紀物理學兩大支柱——量子力學和廣義相對論之間最基礎的矛盾。梅德羅斯說：「如果你違反了（信息悖論的）假設之一，你或許就能解決這個悖論本身。而其中一個假設就是無毛定理。」
由此造成的後果可能很廣泛。「如果我們能證明黑洞外實際的黑洞時空與我們的預期不同，那麼我認為這將會對廣義相對論產生巨大的沖擊。」梅德羅斯這樣說道。
而上個月底這篇論文中最令人激動的發現是，它可以提供一種將黑洞觀測與基礎物理學相結合的方法。探測黑洞上的「毛發」，這或許是全宇宙最極端的天體物理實驗室，可以允許我們以某種前所未有的方式研究一些學說，例如弦論和量子引力等。
梅德羅斯說：「弦論和量子引力的一大問題是，基於它們的預測往往非常難以檢驗。所以如果有任何辦法，甚至僅僅是遠程來檢驗這些理論，都是非常驚人的。」
絕非易事
然而，還存在一些重大障礙。目前還不清楚近極端的黑洞是否廣泛存在，天文學家可以模擬極端黑洞，但目前模擬產生的黑洞都至少和「極端」存在30%的差距。並且即使這些黑洞是極端的，也不清楚引力波探測器是否足夠靈敏，能從這些「毛發」發現不穩定性。
黑洞數值模擬（圖片來源：事件視界望遠鏡）
更重要的是，這些「毛發」的預期壽命短得要命，持續時間只有幾分之一秒。
不過至少從理論上來講，論文本身是可靠的。「我不認為科學界的任何人會懷疑它，」切斯勒說，「這並非投機，只是愛因斯坦的方程太過複雜，我們每年都能發現它的新特性。」
科學家下一步的目標，是確定它們要在引力波探測器中尋找怎樣的信號。這樣的探測器既包括LIGO、Virgo這樣正在運行的地基探測器，也包含將來歐洲航天局的LISA（Laser Interferometer Space Antenna，空間激光幹涉儀），以及我國的天琴計劃和太極計劃這樣的天基探測器。
「人們應該在現有工作的基礎上再接再厲，計算這種引力輻射的頻率，從而理解我們應該如何通過探測來證認它，」伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校的天體物理學家海爾維·維特克（Helvi Witek）說，「下一步是從這些理論中研究得出（黑洞毛發的）特征。」
對於這樣的嘗試，科學家有著充足的理由。雖然通過探測證明論文正確的機會渺茫，但這樣的發現不僅僅會挑戰愛因斯坦的廣義相對論，也證明了近極端黑洞的存在。
「我們很想知道自然是否允許這樣的怪物存在，」汗納說，「這將對我們的研究領域產生戲劇性的影響。」
