黑洞理论和广义相对论之间的矛盾可以通过黑洞自旋来解决

广义相对论是一个极其复杂的数学理论,但它对黑洞的描述却出奇地简单。一个稳定的黑洞可以只用三个特性来描述:质量、电荷、自转或自旋。由于黑洞不太可能携带太多的电荷,因此它实际上只需要用两个属性来描述。如果你知道黑洞的质量和自旋,你就会知道关于黑洞的所有信息。

黑洞的自旋
黑洞的自旋

这种性质通常由无毛定理概括。具体来说,该定理推断,一旦物质落入黑洞,剩下的唯一特征就是质量。你可以用一个太阳上的氢气、桌子或者是一捧泥土来制作一个黑洞,而这些黑洞之间没有什么区别。就广义相对论而言,质量就是质量。在每种情况下,黑洞的事件视界都是非常平滑的,没有额外的特征。正如雅各布·贝肯斯坦所说,黑洞没有头发。

黑洞艺术家插图
相对论和量子理论之间的冲突导致了防火墙悖论。图片来源:Jeremy Perkins / Unsplash

 

但是,广义相对论的预测能力在量子理论方面却出现了一些问题。对于黑洞来说尤其如此。如果无毛定理是正确的,那么当物体穿过事件视界时,物体中保存的信息就会被破坏。量子理论说信息永远不会被破坏。因此,有效的引力理论与有效的量子理论产生了矛盾。这会导致诸如防火墙悖论之类的问题, 它无法决定事件视界应该是热的还是冷的。

科学家已经提出了几种理论来解决这个矛盾,通常涉及相对论的扩展。但是标准相对论和这些修正理论之间的差异只能在极端情况下才能看到,这使得它们难以观察研究。但是《物理评论快报》上的一篇论文展示了如何通过黑洞的自旋来研究它们。

室内标量场内的温度
房间内的温度是标量场的一个例子。

 

许多修正的相对论都有一个标准理论中没有的额外参数。它被称为无质量标量场,它允许爱因斯坦的模型以一种不矛盾的方式与量子理论联系起来。在这项新工作中,该团队研究了这种标量场如何与黑洞的旋转相关联。他们发现,在低自转时,修改后的黑洞与标准模型无法区分,但在高自转时,标量场允许黑洞具有额外的特征。换句话说,在这些替代模型中,快速旋转的黑洞可以有头发。

旋转黑洞的毛状部分只能在事件视界附近看到,但它们也会影响合并的黑洞。正如作者指出的那样,未来的引力波天文台应该能够使用快速旋转的黑洞来确定广义相对论的替代方案是否有效。

迄今为止,爱因斯坦的广义相对论已经通过了所有观测挑战,但它可能会在宇宙最极端的环境中崩溃。诸如此类的研究表明我们如何能够发现接下来的理论。

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