“无毛”黑洞模拟再次证明爱因斯坦的广义相对论

2021/11/4 10:19:46 来源:新浪科技 作者:任天 责编:远洋

北京时间 11 月 4 日消息,一项新的物理学研究再次表明爱因斯坦的广义相对论是正确的,即使是对于“无毛”的黑洞也是如此。

黑洞是一个引力极其强大的时空区域,在其范围内,包括光线在内的任何事物都无法逃脱被吸引并“吞噬”的命运。爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在,并指出黑洞在形成并稳定之后,无论“吃”进去什么,其特征都只有质量、自旋(角动量)和电荷,任何其他的特征 —— 被称为“毛发”—— 都应该被黑洞吞噬而无法被观测到,黑洞也不存在如立方体、椎体或其他有凸起的形态。后来,天体物理学家约翰・惠勒将该结论称为黑洞的“无毛定理”(“no-hair”theorem)。

然而,这个定理一直存在一个挥之不去的障碍:磁场。为了使无毛定理成立,吞噬周围物质不应该改变黑洞的基本特征。但实际上,尽管黑洞可以在强磁场中“诞生”,它们也可以通过吞噬某些物质来获得强磁场,而等离子体云可以在黑洞周围维持这些磁场。

在近期的一项研究中,物理学家利用超级计算机模拟了被等离子体包围的黑洞,以此研究这一问题。他们发现,即使在黑洞存在磁场的情况下,无毛定理和爱因斯坦的广义相对论仍然成立。

研究人员在一份声明中说:“无毛定理的猜想是广义相对论的基石。如果一个黑洞具有一个长期存在的磁场,那就违背了无毛定理。幸运的是,等离子体物理学的解决方案挽救了这一猜想。”

在模拟中,研究人员发现黑洞周围的磁场会发生进化。模拟结果显示,黑洞周围的磁力线会迅速断开并重新连接。这种现象产生了被磁场激发的等离子体,而这些等离子体产生后要么被喷射到太空中,要么被黑洞吞噬。

理论物理学家们没有想到这一点,因为他们通常把黑洞放在真空中考虑,但现实中经常出现等离子体,而等离子体可以维持并引入磁场。这一过程必须与无毛定理的猜想相符。

不过,真正“挽救”无毛定理的是,研究人员发现这个过程会很快地耗尽磁场,直到它完全消失。这种耗竭发生得非常快,速率可以达到光速的 10%。里珀达表示,磁场的快速连接拯救了无毛定理。这项研究的结果于今年 7 月 27 日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上。

在引力和宇宙学的研究中,广义相对论已经成为一个高度成功的理论模型,并且到目前为止,仍然能够在不另加特例假设的条件下,得到许多实验的证实。但即便如此,也有证据表明该理论并不完备,包括对量子引力的寻求以及时空奇点的现实性问题仍有待解决;支持暗物质和暗能量存在的实验观测数据也意味着有必要建立新的物理学。

不过,广义相对论之中依旧充满了值得深度探索的可能性:研究者正试图用数学工具来理解奇点的本质,以及爱因斯坦场方程的基本属性;超级计算机等工具可以对黑洞合并等进行更多的数值模拟;在第一次直接观测到引力波之后,后续的研究与发展应用也在持续进行中,物理学家希望通过观测更强大的引力场来进一步检验广义相对论的正确性。毫无疑问,在爱因斯坦发表他的理论一百多年后,广义相对论仍然是一个非常活跃的研究领域。

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