今年早些時候引力波的發現被譽為對愛因斯坦廣義相對論的優雅 подтверждение——但具有諷刺意味的是，這一發現可能預示著該理論在黑洞邊緣失效的首個證據。物理學家分析了雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 公佈的資料，並聲稱發現了似乎與廣義相對論預測相矛盾的波“回波”1。
這些回波可能會隨著更多資料的出現而消失。如果它們持續存在，這一發現將是非同尋常的。物理學家預測，愛因斯坦非常成功的理論可能會在極端情況下失效，例如在黑洞中心。這些回波將表明，相對論在黑洞邊緣（遠離其核心）失效的可能性甚至更高。
如果回波消失，那麼廣義相對論將經受住對其力量的考驗——以前，物理學家尚不清楚他們是否能夠檢驗其非標準預測。
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加州大學聖巴巴拉分校的黑洞研究員史蒂夫·吉丁斯說：“LIGO 的探測以及更多探測的可能性，為研究新的物理機制提供了令人興奮的機會。” LIGO 團隊表示，他們知道這一預測，並且正在搜尋其資料以尋找回波。
超出範圍？
黑洞的邊緣，即所謂的事件視界，長期以來被認為超出了實驗範圍。根據廣義相對論，任何穿過屏障的物質都將被黑洞捕獲，並且沒有逃脫的機會。它將被拉到黑洞的核心，黑洞的所有物質都集中在那裡。加拿大滑鐵盧大學的宇宙學家尼亞耶什·阿夫肖迪說：“黑洞被認為像無底洞一樣。”
在標準影像中，事件視界處什麼也沒有留下，任何不幸穿過它的人都不會注意到環境的任何突然變化。但在 2012 年，加利福尼亞州的物理學家意識到，如果量子物理學是正確的，那麼事件視界應該被火牆取代，火牆是一圈高能粒子，它會將任何穿過它的物質燒成焦炭——這與廣義相對論相矛盾2。另一種選擇是黑洞沒有火牆，但這將意味著量子理論是錯誤的。
其他與廣義相對論相矛盾的奇異理論也預測視界處存在某種結構；例如，一些版本的弦理論認為黑洞實際上是“絨球”：纏結在一起的能量線，其表面模糊，取代了清晰定義的事件視界3。然而，阿夫肖迪說，似乎沒有任何方法可以窺視事件視界，以找出那裡是否存在任何東西。
奇怪的偏差
這種情況在 2 月份發生了變化，當時 LIGO 宣佈首次直接探測到引力波，即時空中的漣漪。這些波是在兩個黑洞合併時產生的4。此後不久，里斯本高等技術學院的維託·卡多佐領導的物理學家團隊提出，如果廣義相對論存在任何奇怪的偏差——例如火牆——這些黑洞合併也會在最初的引力波爆發後釋放一系列回波。
回波的出現是因為火牆或任何其他型別的結構都將在傳統的事件視界處有效地建立一個模糊區域。該區域的內邊緣是傳統的事件視界，即任何光粒子或光子都無法逃脫的邊界。外邊緣更具多孔性：穿過此邊界的典型光子將被黑洞捕獲，但有些光子將能夠逃脫，具體取決於它們的接近角度。這種效應也會部分捕獲黑洞合併釋放的引力波。它們將在內邊緣和外邊緣之間來回反彈，每次都會逸出一些。
阿夫肖迪的團隊建立了一個簡單的模型，其中黑洞被鏡面牆壁而不是傳統的事件視界包圍，並將其應用於 LIGO 迄今為止捕獲的三個黑洞合併中的每一個的屬性。這揭示瞭如果黑洞的事件視界處有任何結構，重複回波之間的精確時間間隔應該是多少——大約 0.1 秒、0.2 秒和 0.3 秒。當他們檢視 LIGO 資料時，他們發現所有三個合併中引力波的釋放之後都緊隨著在完全相同的間隔出現的回波。
改進的靈敏度
阿夫肖迪說，這些回波可能只是統計上的偶然現象，如果隨機噪聲是這些模式背後的原因，那麼看到這種回波的機率約為 270 分之 1，即 2.9 西格瑪。為了確定它們不是噪聲，必須在未來的黑洞合併中發現此類回波。“好處是，靈敏度得到提高的新 LIGO 資料即將到來，因此我們應該能夠在未來兩年內證實或排除這一點。”
LIGO 成員、德國波茨坦馬克斯·普朗克引力物理研究所的物理學家亞歷山德拉·布安諾表示，LIGO 科學家正在分析回波訊號。
阿夫肖迪使用的簡單鏡面模型過於粗糙，無法說明是火牆、絨球還是其他東西產生了回波。他說，更復雜的模型可能會透過預測回波的振幅以及它們消退的速度來區分這些替代方案。
但吉丁斯說，儘管該團隊的論文提供了“令人興奮的暗示”，表明可能偏離了廣義相對論，但到目前為止，這些只是暗示。他質疑阿夫肖迪的鏡面模型是否能夠揭示偏離廣義相對論的原因——部分原因是預測這些偏差的理論僅對取代事件視界的物質提供了模糊的描述，因此很難準確地對其進行建模。“這裡的一個基本問題是我們不知道什麼是火牆或絨球的良好物理描述”。
本文經許可轉載，最初於 2016 年 12 月 9 日首次發表。